一種新型的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備主軸對(duì)中測(cè)量方法
——四表對(duì)中法

范安全，鄧 蕾

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海200233)

轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備主軸對(duì)中的含義就是把要聯(lián)結(jié)的兩臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備的主軸位置在聯(lián)軸器的傳力位置調(diào)整到能保證在正常運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線處于同軸狀態(tài)的工藝過程[1]。國(guó)外研究表明機(jī)械設(shè)備的提前損壞中50%～70%與主軸對(duì)中不良有關(guān)[2]。在工程實(shí)踐中，軸系的同軸度偏差一般分解為同心度偏差、平行度偏差。工程中多以兩種偏差同時(shí)存在的組合偏差方式存在，為了便于工程測(cè)量和設(shè)備調(diào)整，主軸對(duì)中組合偏差一般分解成垂直同心度偏差、垂直平行度偏差、水平同心度偏差和水平平行度偏差四個(gè)分量。

核電廠主要的離心泵，如核島的補(bǔ)水泵、給水泵、設(shè)備冷卻水泵等,以及常規(guī)島的汽輪機(jī)組、電動(dòng)給水泵、凝結(jié)水泵等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，在其安裝和運(yùn)行檢修期間均需進(jìn)行主軸對(duì)中檢查及調(diào)整，是其重點(diǎn)和難點(diǎn)工作之一，其安裝精度和施工進(jìn)度對(duì)核電站的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義[14]。

但從本人參與的施工項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)以及調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，比如主回路補(bǔ)水泵的現(xiàn)場(chǎng)主軸對(duì)中工作中的對(duì)中方法及工具選擇、誤差控制技巧、人員技能培訓(xùn)、對(duì)中檢測(cè)時(shí)機(jī)等方面還存在不太規(guī)范的地方，因此有必要對(duì)主軸對(duì)中技術(shù)進(jìn)行總結(jié)、分析，以便幫助提高核電站站轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備主軸對(duì)中知識(shí)和技能。

1 百分表對(duì)中法的主要誤差和缺點(diǎn)

1.1 百分表測(cè)量法表架撓度誤差影響

通常采用直尺塞尺法、百分表法、激光對(duì)中儀法來測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備主軸對(duì)中狀態(tài)[1]。直尺塞尺法測(cè)量精度較低,通常僅用于初對(duì)中階段;而激光對(duì)中儀精度高但價(jià)格昂貴,需要進(jìn)行定期專業(yè)檢定,維護(hù)成本高,對(duì)使用人員的安裝和測(cè)量技巧要求也較高,對(duì)使用環(huán)境的清潔度和溫度等要求也較高，還處于國(guó)內(nèi)推廣階段，未得到廣泛普及；百分表對(duì)中法因?yàn)楣ぞ吆?jiǎn)單、價(jià)格便宜、數(shù)據(jù)采集直觀易于操作、對(duì)施工環(huán)境要求較低、適用性極強(qiáng)、因而應(yīng)用廣泛，但百分表對(duì)中法的主要誤差因素有表架撓度、軸竄、人為讀數(shù)偏差、百分表精度、安裝偏差等[3],將不同程度地影響主軸對(duì)中精度；其中表架撓度是最容易被忽略、對(duì)測(cè)量精度影響最大的誤差來源。消除或減小百分表對(duì)中工具的誤差影響是百分表對(duì)中法中非常關(guān)鍵的步驟。

其中表架撓度是支撐百分表的表架及其加長(zhǎng)桿組件以及百分表自身的重力，使表架產(chǎn)生向下彎曲的彈性變形，通常在臥式轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的主軸對(duì)中測(cè)量時(shí)，由于百分表表針滑動(dòng)方向隨轉(zhuǎn)動(dòng)方向而變化,不完全與重力方向一致,撓度在不同位置上對(duì)百分表讀數(shù)的影響是變化的，所以，在數(shù)據(jù)采集后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中，如果不設(shè)法加以消除或補(bǔ)償，將嚴(yán)重影響測(cè)量值的準(zhǔn)確性。相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的對(duì)中公差，有時(shí)撓度會(huì)是垂直方向上的實(shí)際對(duì)中偏差的幾倍到十幾倍[4]，嚴(yán)重影響對(duì)中測(cè)量和調(diào)整精度?，F(xiàn)在工程上使用的百分表對(duì)中表架各式各樣,但都存在表架撓度值并對(duì)百分表測(cè)量法的準(zhǔn)確測(cè)量存在直接的精度影響。

因此，安裝百分表表架和加長(zhǎng)桿應(yīng)注意減少甚至消除表架撓度的影響。由于表架在百分表固定處的水平和垂直方向上都可能存在撓度，其結(jié)果對(duì)同心度和平行度測(cè)量數(shù)值均有影響[4]。但對(duì)于通常的表架結(jié)構(gòu)及百分表安裝位置，由于表針是處于水平位置，與表架的撓度方向相垂直,表架撓度對(duì)平行度讀數(shù)的影響非常小，在工程上可以忽略不計(jì)?；蛘卟捎萌?、外徑千分尺寸等工具直接測(cè)量軸向偏差，這兩種方法可完全規(guī)避表架撓度對(duì)平行度測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。所以減少或消除表架撓度對(duì)平行度測(cè)量數(shù)據(jù)也是采用四表對(duì)中法的重要先決條件,在工程實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中,僅考慮消除撓度對(duì)同心度測(cè)量的影響即可。

轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的主軸對(duì)中方法的選用，不同公司或個(gè)人有各自的偏好和特點(diǎn)，但主要還是采用磁力表架或自制表架固定百分表的三表對(duì)中法，其他也有采用單表法、四點(diǎn)法(汽輪機(jī)軸系采用，其基本原理與三表法相同)，都不同程度地存在忽略表架撓度的測(cè)量和消除這一關(guān)鍵步驟，從而大大降低測(cè)量精度的負(fù)面影響問題。因此，迫切需要尋求一種快捷簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、能夠消除表架撓度誤差的對(duì)中測(cè)量方法。

1.2 對(duì)中偏差的測(cè)量和驗(yàn)收位置

在工程施工以及設(shè)備運(yùn)行中，主軸對(duì)中偏差往往是以組合偏差的方式存在，在不同點(diǎn)的同心度測(cè)量數(shù)值可能不同，即兩軸線間的同心度偏差值大小與測(cè)量位置直接相關(guān)，所以在測(cè)量以及計(jì)算時(shí)，必須強(qiáng)調(diào)同心度偏差的測(cè)量位置和驗(yàn)收點(diǎn)，只有確定統(tǒng)一的驗(yàn)收點(diǎn)，才具有統(tǒng)一性和可重復(fù)性?，F(xiàn)在國(guó)外通行的同心度偏差驗(yàn)收點(diǎn)是指聯(lián)軸器中心點(diǎn)位置。而國(guó)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均無明確嚴(yán)格地規(guī)定同心度偏差值的測(cè)量位置，比如國(guó)內(nèi)通常可以根據(jù)采用的對(duì)中方法、對(duì)中工具、操作人員的習(xí)慣和偏好,自由選擇聯(lián)軸器的任一側(cè)輪轂上的某測(cè)點(diǎn)或其他位置，具有很大的隨意性。

如圖1所示,由于測(cè)點(diǎn)的不同，同心度偏差值的表達(dá)是不同的，在左側(cè)輪轂處為0 mm，右側(cè)輪轂處為0.10 mm，聯(lián)軸器中心點(diǎn)處則為0.05 mm，所以必須正確指明測(cè)量的軸向位置，同心度數(shù)值才有實(shí)際意義，比較科學(xué)和容易被接受的驗(yàn)收點(diǎn)就是聯(lián)軸器中點(diǎn)[5]或是聯(lián)軸器兩側(cè)的撓性傳動(dòng)點(diǎn)[1]，這對(duì)帶中間節(jié)的聯(lián)軸器對(duì)中時(shí)特別重要。

圖1 同心度測(cè)量點(diǎn)示意圖Fig.1 Measurement point of centerline offset

1.3 解決思路

由于百分表表架撓度因其結(jié)構(gòu)和尺寸不同而各不相同，對(duì)每種情況均進(jìn)行測(cè)量或計(jì)算，非常煩瑣,因此，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，要精確測(cè)量非常困難、煩瑣，馬國(guó)明等人均對(duì)百分表測(cè)量法的撓度進(jìn)行了闡述和研究，提出了一些測(cè)量或消除撓度的不良影響的方法，但均存在計(jì)算復(fù)雜、分析不全面不完整，等瑕疵[6-13]，影響了其應(yīng)用和推廣范圍。

本文針對(duì)百分表對(duì)中法，提出一種新的測(cè)量方法—四表對(duì)中法，可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中不測(cè)量撓度值及其消除流程，而能夠巧妙地消除撓度對(duì)測(cè)量精度的影響，達(dá)到精確對(duì)中的目的。

百分表四表對(duì)中法實(shí)質(zhì)上是同時(shí)利用軸向—徑向法(一點(diǎn)法)和雙徑向法(兩點(diǎn)法)原理，它創(chuàng)造性地巧妙結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)，用在相對(duì)于聯(lián)軸器中點(diǎn)對(duì)稱的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)讀取同心度和平行度偏差,最終反映主軸在聯(lián)軸器中點(diǎn)處的同心度和平行度偏差狀態(tài)。規(guī)避了消除撓度引起的測(cè)量系統(tǒng)誤差所需的大量繁瑣測(cè)量和計(jì)算工作，提高測(cè)量精度和主軸對(duì)中的質(zhì)量。

2 百分表四表對(duì)中法

2.1 表架結(jié)構(gòu)和安裝要求

如圖2所示，按百分表四表對(duì)中打表，需設(shè)置兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的表架，且每個(gè)表架分別配置測(cè)量同心度和平行度偏差的兩塊表，其中一塊軸向安裝的百分表用于測(cè)量軸系的平行度偏差。注意軸向百分表的表架應(yīng)盡量避免有與軸線垂直的細(xì)桿結(jié)構(gòu)，并整體具有對(duì)稱性和較好的剛度，而另外一塊百分表用于測(cè)量同心度偏差。其中一塊表架固定在基準(zhǔn)設(shè)備上，向可調(diào)設(shè)備打表，另一個(gè)結(jié)構(gòu)相同的表架反向并相差180°架設(shè)在可調(diào)設(shè)備上，向基準(zhǔn)設(shè)備打表。

需要注意的是，測(cè)量同心度時(shí)的表架設(shè)置應(yīng)保證百分表測(cè)點(diǎn)相對(duì)于聯(lián)軸器中點(diǎn)對(duì)稱；同時(shí)為了消除測(cè)量位置的圓度、偏心等制造、裝配偏差，以及測(cè)量過程中消除軸竄動(dòng)的影響，測(cè)量平行度偏差測(cè)量平行偏差時(shí)時(shí)必須同時(shí)相對(duì)于軸心對(duì)稱使用兩塊百分表，并保證在測(cè)量時(shí)同步轉(zhuǎn)動(dòng)雙軸。

這樣，同步轉(zhuǎn)動(dòng)雙軸，從可調(diào)設(shè)備后側(cè)向基準(zhǔn)設(shè)備方向觀察，以頂點(diǎn)為0°，依次順時(shí)針方向在90°、180°、270°方向(即上、右、下、左方向)的軸向百分表讀數(shù)分別為a1、a2、a3、a4，b3、b4、b1、b2；徑向百分表讀數(shù)分別為c1、c2、c3、c4，d3、d4、d1、d2。應(yīng)盡量進(jìn)行多次測(cè)量，確保數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

圖2 百分表四表對(duì)中法示意圖Fig.2 Reverse rim and face method for shaft alignment measurement

為了增強(qiáng)此方法的適用性，也可采用單表法的表架先后交叉測(cè)量。得到對(duì)稱的兩端測(cè)量點(diǎn)的同心度偏差，并采用兩百分表或者內(nèi)徑千分尺同時(shí)、對(duì)稱測(cè)量，得到平行度偏差。

2.2 分析和計(jì)算

令徑向百分表架在0°～180°(即垂直方向上)的撓度為δ，垂直方向上平行度偏差為αy，同心度偏差為ey，基準(zhǔn)設(shè)備側(cè)為e1y，可調(diào)設(shè)備側(cè)為e2y)。

圖3中L0為相對(duì)于聯(lián)軸器中點(diǎn)對(duì)稱的兩測(cè)點(diǎn)的間距，O1和O2為基準(zhǔn)設(shè)備和可調(diào)設(shè)備軸心，F(xiàn)點(diǎn)為聯(lián)軸器中點(diǎn)，O1A和O2B分別為徑向百分表測(cè)出的同心度偏差，E點(diǎn)為AB連線的中點(diǎn)，過E點(diǎn)作水平線段d0，端點(diǎn)為G,由點(diǎn)G作垂線段GH，GH對(duì)應(yīng)的角度θ的方向與主軸的傾斜方向一致,GH長(zhǎng)度為軸向百分表在0°與180°的上方平行度偏差αy，然后連接EH并延長(zhǎng)與垂線O1A和O2B相交于C、D兩點(diǎn)，O1C和O2D分別為兩軸線在聯(lián)軸器對(duì)稱測(cè)點(diǎn)處的真實(shí)同心度偏差e1y和e2y。AC和BD數(shù)值相等，為表架在垂直方向(0°到180°)的表架撓度值的一半。

根據(jù)已有的三表測(cè)量法,可知聯(lián)軸器平行度偏差ay的計(jì)算公式如下:

αy=[(a3+b1)-(a1+b3)]/2

(1)

同時(shí),

從以上等式可以看出，徑向百分表的讀數(shù)包含了同心度真實(shí)偏差和撓度誤差，因此應(yīng)設(shè)法消除撓度誤差的影響，從而確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

聯(lián)軸器中點(diǎn)的同心度偏差:

即

ey=[(c3+d3)-(c1+d1)]/4

(2)

在垂直方向上，由于c1和d1常初設(shè)為0，所以上式通?？梢院?jiǎn)化為：

ey=(c3+d3)/4

(3)

同理，對(duì)于水平方向的ex:

(4)

從上述分析可以看出，聯(lián)軸器中點(diǎn)的同心度偏差值等于相對(duì)于中點(diǎn)對(duì)稱的兩測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際百分表徑向測(cè)量偏差的幾何平均值，撓度的數(shù)值通過公式運(yùn)算可互相抵消，巧妙地規(guī)避了撓度對(duì)測(cè)量精度的嚴(yán)重不良影響，對(duì)中測(cè)量中不再需要為消除撓度影響而進(jìn)行的繁瑣測(cè)量和計(jì)算。這也是本方法的最大優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新。

因此，同心度偏差計(jì)算如表1所示。

表1 同心度偏差計(jì)算

平行度偏差值計(jì)算如表2。

表2 平行度偏差計(jì)算

在確定對(duì)中實(shí)際偏差,以及計(jì)算調(diào)整量時(shí),并不需要撓度值δ,但根據(jù)同心度和平行度測(cè)量數(shù)據(jù)的幾何關(guān)系，也可以求出同心度測(cè)量表架的撓度值δ,供數(shù)據(jù)分析時(shí)參考使用:

(5)

同時(shí)，根據(jù)不同操作人員的工作習(xí)慣、或者某些供貨商技術(shù)要求，當(dāng)同心度的驗(yàn)收點(diǎn)明確為撓性聯(lián)軸節(jié)的兩端撓性傳力點(diǎn)等位置時(shí)，也可以根據(jù)上述測(cè)量方法和計(jì)算進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到所需的偏差數(shù)據(jù)。

2.3 支腿調(diào)整量的計(jì)算

通過四表對(duì)中法，準(zhǔn)確地測(cè)量出了兩軸線間的同軸度偏差，如果超過公差要求，就應(yīng)通過調(diào)整可調(diào)設(shè)備的支腿的垂直方向以及水平方向的位置，來減少或消除偏差，達(dá)到公差要求。調(diào)整量的計(jì)算和尺寸關(guān)系如圖4所示。

圖4 四表對(duì)中法的支腿調(diào)整示意圖Fig.4 The sketch of support movement calculated in reverse rim & face method

圖4中ey——聯(lián)軸器中心點(diǎn)的同心度偏差；L1——聯(lián)軸器中心點(diǎn)到前支腿間距；L2——聯(lián)軸器中心點(diǎn)到后支腿間距；H1——前支腿處的調(diào)整量，正數(shù)表示需要降低高度，即需要減少墊片厚度，負(fù)值表示需要增加墊片厚度；H2——后支腿處的調(diào)整量。

則：

H1=ey-L1×αy/d0

(6)

H2=ey-L2×αy/d0

(7)

水平方向的計(jì)算方法類似。

還可以采用EXCEL的自動(dòng)計(jì)算和圖表功能,按照要求輸入測(cè)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),即可自動(dòng)計(jì)算支腿調(diào)整量、判斷偏差是否合格，以及對(duì)中圖表，大大提高調(diào)整量的計(jì)算準(zhǔn)確度和對(duì)中報(bào)告的質(zhì)量。

2.4 應(yīng)用實(shí)例分析

某核電廠電動(dòng)輔助給水泵，同心度的兩測(cè)量點(diǎn)間距L0=300 mm,平行度偏差測(cè)點(diǎn)的回轉(zhuǎn)直徑d0=200 mm,在垂直方向上測(cè)得的平行度偏差為-0.04 mm,可調(diào)設(shè)備向基準(zhǔn)設(shè)備側(cè)輪轂環(huán)面打表測(cè)得同心度偏差為e1=0.03 mm,基準(zhǔn)設(shè)備向可調(diào)設(shè)備側(cè)輪轂環(huán)面打表測(cè)得同心度偏差為e2=-0.25 mm,驗(yàn)收公差為同心度0.05 mm,平行度偏差0.2/1 000。

如果按照d0=200 mm,測(cè)得的平行度偏差為-0.04 mm (角度=0.2/1 000),可調(diào)設(shè)備向基準(zhǔn)設(shè)備側(cè)打表測(cè)得同心度偏差為0.03 mm來驗(yàn)收,完全合格，但結(jié)合基準(zhǔn)設(shè)備向可調(diào)設(shè)備側(cè)打表測(cè)得同心度偏差為-0.25 mm,以及中心點(diǎn)的偏差0.14 mm,完全超差,考慮撓度修正后的數(shù)據(jù)，e1=0.125 mm,e2=-0.155 mm。也全部超標(biāo)，按照本文的方法分析和測(cè)量，需要整體降低可調(diào)設(shè)備，才能滿足公差要求。

經(jīng)過本方法測(cè)量及調(diào)整后，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、狀態(tài)良好。

3 結(jié)論

百分表四表對(duì)中法結(jié)合了更為合理的聯(lián)軸器中點(diǎn)作為同心度偏差驗(yàn)收點(diǎn)，同時(shí)巧妙地消除了撓度的測(cè)量及其對(duì)測(cè)量精度的影響，通過兩者創(chuàng)造型地巧妙結(jié)合，可以精確測(cè)量軸系的真實(shí)對(duì)中狀態(tài)，解決傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備主軸百分表對(duì)中法中系統(tǒng)誤差較大的問題，同時(shí)百分表四表對(duì)中法的工具成本低廉、制作簡(jiǎn)單，操作方便、可廣泛應(yīng)用到日常的各行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，大大提高轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備對(duì)中精度和安裝質(zhì)量，極具推廣價(jià)值。