Rundlaufmessung mit berührungslosen Wegsensoren

Anwendungshinweis zur allgemeinen Erfassung LA05-0022

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Zusammenfassung:

Wellenschlag ist eine gebräuchliche Messung speziell für die Zustandsüberwachung. Kapazitiv and Wirbelstrom Sensoren bieten nützliche berührungslose Messlösungen mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen.

Grundlage

Läuft aus

Rundlauf ist die Verschiebung der Oberfläche eines rotierenden Objekts. Unrunde Wellen weisen per Definition einen signifikanten Rundlauf auf.

Gemäß ASME / ANSI B5.54-2005 Methoden zur Leistungsbewertung von computergesteuerten Bearbeitungszentren"leerlaufen”Ist der Gesamtanzeigewert (TIR) ​​eines Instruments, der gegen eine sich bewegende Oberfläche misst. Dies ist normalerweise eine Drehbewegung und wird für eine volle Drehung gemessen. Dies bedeutet, dass der Rundlaufwert eine Kombination aus verschiedenen Arten von Fehlerbewegungen, Formfehlern und Formfaktoren ist:

  • Form der Welle
  • Geradheit der Welle
  • Zentrierfehler in der Lage der Welle relativ zur Drehachse (Exzentrizität) und
  • Fehler in der Rotationsachse selbst, die selbst ein Produkt mehrerer Faktoren ist:
    • Antriebslagerleistung
    • Maschinenstruktur
    • Antriebsausrichtung (Tilt)
  • Messgerätefehler (Indikator oder Sensor)

Es gibt zwar Techniken zum Verfeinern von a Wellenschlagmessung Für nur eine oder einige dieser Komponenten ist der Zweck dieser Application Note das Messen Gesamtschlag mit all seinen Faktoren (außer Sensorfehlern). Die hier beschriebenen Techniken sollen den Beitrag des Sensors zum Endergebnis minimieren oder eliminieren. Bei richtiger Anwendung führen berührungslose Wirbelstrom- und kapazitive Sensormessungen des Wellenschlags zu Ergebnissen mit vernachlässigbaren Sensorfehlern.

Rundlauffehler

Radialer Rundlauf

Der Rundlauf ist senkrecht zur Rotationsachse.

Rundlauf der Welle ist ein Maß für die radiale Verschiebung der Wellenoberfläche, wenn sich die Welle dreht. Angenommen, eine runde Welle trägt zur Unrundheit der Radialwelle bei, beispielsweise zur Geradheit der Welle, zur Ausrichtung von Antrieb und Welle, zur Steifigkeit der Lager und zur Erhöhung der Unrundheit, wenn sich die Lager abnutzen. Das Gleichgewicht ist ein Rundlauffaktor, der von den Beziehungen zwischen Geschwindigkeit und Lagersteifigkeit und -verschleiß sowie der Steifigkeit des Gesamtsystems abhängt. Rundlauffehler werden im Allgemeinen verwendet, um Verschleiß in den Antriebslagern anzuzeigen.

Rundlauf der Axialwelle

Axialer Rundlauf

Der Planlauf wird in der Mitte der Drehung gemessen, um zu verhindern, dass Ebenheits- / Rechtwinkelfehler des Wellenendes die Messung beeinflussen.

Planlauf der Axialwelle ist ein Maß für die axiale Verschiebung der Welle bei Drehung. Diese Messung erfolgt in der Mitte der Welle (auf der Drehachse). Off-Center-Messungen werden als "Planlauf" bezeichnet, bei denen die Ebenheit und Rechtwinkligkeit der Oberfläche zur Messung beitragen - Faktoren, die für die meisten Anwendungen nicht von Interesse sind. Der Planlauf der Axialwelle wird hauptsächlich zur Zustandsüberwachung des Axiallagers verwendet.

Wellenform

Nach der obigen Definition weisen unrunde Formen immer einen signifikanten Rundlauf auf. Eine ovale oder sechseckige Welle, die sich perfekt dreht, weist immer noch eine erhebliche Unrundheit auf, da der Indikator auf radiale Verschiebungen der Wellenoberfläche aufgrund der Wellenform reagiert.

In dieser Application Note wird davon ausgegangen, dass die zu messende Welle rund ist.

Wellengeradheit

Wellengeradheit

Die Geradheit der Welle beeinflusst das Rundlaufmaß.

Der Rundlauf wird durch die Geradheit der Welle beeinflusst. Wenn die Welle gebogen ist, hängen die Rundlaufmessungen von der Position der Messung entlang der Länge der Welle und der Position und Stärke der Biegung ab. Wenn eine Welle an beiden Enden befestigt ist (z. B. zwischen Antrieb und Getriebe), liegt der maximale Schlag in der Nähe der Mitte. Wenn die Welle nur am Antriebsende befestigt ist (z. B. Motoren, die Lüfter oder Propeller antreiben), ist der Schlag am schwimmenden Ende der Welle tendenziell schlechter.

Eine ansonsten gerade Welle kann so montiert werden, dass die Mittellinie der Welle nicht parallel zur Drehachse ist. In diesem Fall hängen die Rundlaufmessungen davon ab, wo die Messung entlang der Welle durchgeführt wird.

Komponenten für synchronen und asynchronen Wellenschlag

Einige Rundlaufkomponenten, wie Unrundheit der Welle oder eine Neigung des Antriebs, wiederholen sich an bestimmten Winkelpositionen der Rotation. Dies sind synchrone Fehlerbewegungen. Andere Wellenschlagkomponenten wie Lagerfrequenzen (Schlag aufgrund von Unrundheit der Wälzkörper im Lager) sind zyklisch, wiederholen sich jedoch nicht an denselben Winkelstellen und werden als asynchrone Fehlerbewegungen bezeichnet.

Echtzeit / Sofort

Rotierendes Wellendiagramm

Verschiebungen der rotierenden Welle in Echtzeit können dabei helfen, bestimmte Probleme zu identifizieren, sind jedoch eine kompliziertere Messung.

Momentanwerte der radialen oder axialen Wellenverschiebung können an jeder Winkelstelle gemessen und aufgezeichnet werden, wenn sich die Welle dreht. Dies liefert ein Bild der augenblicklichen Verschiebungen, die zur Gesamtschlagmessung beitragen. Dieser Ansatz wird zum Auswuchten von Vorgängen oder zum Ermitteln spezifischer Ursachen für Unrundheit verwendet. Diese Arten von Messungen erfordern vergleichsweise ausgefeilte Techniken und Werkzeuge wie die von Lion Precision Spindelfehler-Analysator. Diese Application Note konzentriert sich auf eine einzelne Messung des gesamten Wellenschlags.

Gesamter Wellenschlag

In vielen Fällen, insbesondere bei der Zustandsüberwachung, ist der einzige Wert, der von Belang ist, ein einzelner Wert, der den Gesamtschlag der Welle angibt. Diese Zahl ist normalerweise ein Durchschnitt oder eine Spitze mehrerer TIR-Ablesungen über einen Zeitraum und mehrere Umdrehungen. Wenn sich Lager und andere Komponenten abnutzen, erhöht sich der Gesamtschlag der Welle. Bei der Zustandsüberwachung wird ein Schwellenwert festgelegt, über dem das System heruntergefahren und mit der Reparatur oder Wiederherstellung begonnen wird.

Rundlaufmessungen mit berührungslosen Sensoren

Das Messen des Wellenschlags während des Betriebs erfordert einen berührungslosen Sensor. Die für diese Messung am besten geeigneten Sensortypen sind kapazitive Wegsensoren und Wirbelstrom-Wegsensoren (manchmal als induktive Wegsensoren bezeichnet).

Kapazitiver oder Wirbelstrom

Kapazitive Wegsensoren bieten hohe Präzision; Sie funktionieren mit allen leitfähigen Materialien gleich gut. Sie eignen sich gut für Wellen mit kleinem Durchmesser. Aber sie brauchen eine saubere Umwelt. Wirbelstrom-Wegsensoren Arbeiten Sie in nassen, schmutzigen Umgebungen und können weiter vom Schacht entfernt montiert werden. Sie müssen jedoch auf ein bestimmtes Material kalibriert sein, funktionieren nicht so gut mit kleineren Wellen (<8 x Sondendurchmesser) und sind bei Verwendung mit magnetischen Stahlwellen aufgrund von „elektrischem Schlag“ „lauter“ (siehe Details unten in) den Abschnitt Überlegungen zum Wirbelstrom).

Montage der Sonde

Diese berührungslosen Sensoren bestehen aus einer Sonde (Messkopf), die über ein Kabel mit einer Elektronik verbunden ist, die die Sonde antreibt und eine Ausgangsspannung liefert, die proportional zu den Abstandsänderungen zwischen Sonde und Welle ist.

Die Sonde ist in einem Abstand von der Welle ungefähr in der Mitte ihres Messbereichs angebracht. Dies ermöglicht maximale Auslenkungen der Welle in beide Richtungen, um innerhalb des Funktionsbereichs der Sonde zu bleiben.

Drehen Sie nach der Montage der Sonde die Welle langsam, um den Bereich zu überprüfen. Stellen Sie sicher, dass die Sonde die Welle nicht am nächsten Punkt berührt und während der gesamten Umdrehung in Reichweite bleibt.

Jede Änderung des Abstands zwischen Sonde und Welle ist Teil der Wellenschlagmessung. Daher ist es wichtig, dass die Sonde fest montiert ist, um zu verhindern, dass Vibrationen oder andere äußere Bewegungen die Sonde relativ zur Welle verschieben.

Montagesondendiagramm

Gesamtwellenschlag ableiten

Total Runout

"Total Runout" kann mit TIR-Erfassungen (Spitze-Spitze) des Rundlaufsignals gemessen werden.

Die Rundlaufmessungen der Welle vom berührungslosen Sensor verfolgen die momentanen Verschiebungen in Echtzeit, wenn sich die Welle dreht. Dieser Ausgang muss konditioniert werden, um eine einzelne Messung des Gesamtschlagverhaltens abzuleiten. Der Rundlaufwert kann eine Art Durchschnittswert oder ein Spitzenwert sein. Die spezifische Methode zum Erstellen eines Gesamtschlagwerts hängt von der Anwendung ab.

In der Regel wird ein Basis-Rundlauffehlerwert sowie ein Schwellenwert festgelegt, über dem das System die Aufmerksamkeit des Bedieners erfordert. Bei dieser Art von Zustandsüberwachungssystem sind die Maßeinheiten nicht kritisch; Unabhängig von den Einheiten ist die Festlegung von Basis- und Schwellenwerten der entscheidende Teil der Messung.

Durchschnittliche Werte

Total Runout

Die Änderung des „Total Runout“ kann mit der Option Tracking TIR des MM190-Moduls gemessen werden.

Die Ausgangswerte können mit einem Wechselspannungsmesser über die Zeit gemittelt werden. Diese sind als diskrete Instrumente erhältlich oder können in einer Unterstützungssoftware für ein Datenerfassungssystem verfügbar sein. Es ist wichtig, die Fähigkeit des Messgeräts zu berücksichtigen, bei der Rotationsfrequenz der Welle zu messen.

Spitzenwerte

Peaks von Ausgabewerten können erfasst werden und das System kann die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Peaks melden. Dies ist eine TIR-Messung (Total Indicator Reading). Systeme, die diese Spitzenwerte erfassen, müssen in regelmäßigen Abständen zurückgesetzt werden, um den Wert auf dem neuesten Stand zu halten, falls er abnimmt. Bei Verwendung von Kapazitive Sensoren der Elite-Serie zur Rundlaufmessung der Welle MM190 Mess- und Signalverarbeitungsmodul kann Spitzenwerte erfassen und anzeigen. Das MM190 verfügt auch über ein Tracking-TIR, das Spitzenwerte erfasst, die Werte jedoch mit der Zeit abnehmen können. Auf diese Weise wird der angezeigte Wert auf dem aktuellen Stand gehalten, ohne dass ein Zurücksetzen erforderlich ist, auch wenn der Rundlauffehler verringert wird. Das MM190 ist keine Option für Wirbelstromsensoren.

Einzigartige Überlegungen für Wirbelstrommessungen (induktive Messungen) des Wellenschlags

Wirbelstromsensoren sind für ein einzigartiges Material kalibriert. Um die Präzision zu erhalten, müssen die Sensoren mit diesem speziellen Material verwendet werden.

Wirbelstromsensoren werden normalerweise auf ein flaches Ziel kalibriert. Der Wellendurchmesser sollte 8-10 mal größer sein als der Durchmesser der Wirbelstromsonde, um ein ausreichend flaches Ziel für genaue Messungen bereitzustellen. Da Wirbelstromsensoren sich gegenseitig stören, wenn sie zu nahe beieinander liegen, bietet ein Wellendurchmesser dieser Größe einen ausreichenden Abstand zwischen den Sonden, wenn zwei Sonden verwendet werden, um den Schlag im Abstand von 90 ° zu überwachen.

Elektrischer Schlag

Elektrischer Schlag

Wirbelstromsensoren lesen "elektrische Rundlauffehler" von magnetischen Stahlmaterialien; kapazitive Sensoren nicht.

Magnetische Materialien haben eine Eigenschaft, die als elektrischer Schlag bezeichnet wird. Kleine lokale Unterschiede in den magnetischen Eigenschaften des Materials beeinflussen die Wechselwirkung mit den Magnetfeldern des Wirbelstromsensors. Die Unterschiede resultieren aus lokaler chemischer Zusammensetzung, Kristallstruktur und magnetischen Domänen, die durch Wärmeverlauf, Grad der Kaltbeanspruchung, Oberflächenbehandlungen und Exposition gegenüber Magnetfeldern beeinflusst werden. Je größer diese Unterschiede sind, desto größer ist der elektrische Schlag. Wenn sich die magnetische Stahlwelle dreht, ändert sich die Ausgabe des Wirbelstromsensors als Reaktion auf den elektrischen Schlag des Materials, auch wenn sich der Spalt zwischen Sensor und Welle nicht ändert (kein mechanischer Schlag). Die Abbildungen rechts vergleichen einen kapazitiven Sensor und einen Wirbelstromsensor, die dieselbe magnetische Stahlwelle messen. Nichteisenmaterialien wie Kupfer und Aluminium weisen dieses Phänomen in keiner Weise auf. Nichtmagnetischer Stahl ist zwar besser als magnetischer Stahl, weist jedoch immer noch einen kleinen elektrischen Schlag auf.

Die elektrische Unrundheit beträgt normalerweise weniger als 75 um (0.003 Zoll), was oft nur einen Bruchteil des Messbereichs des Wirbelstromwellen-Unrundheitssensors darstellt. In einigen Anwendungen ist der elektrische Schlag klein im Vergleich zum Grundschlag der Welle und führt daher zu keinem signifikanten Fehler bei der Messung des Gesamtschlages der Welle.

Milderung von elektrischem Schlag

Wenn Ihre Wellenschlagmessung so genau sein muss, dass der elektrische Schlag einen erheblichen Fehler darstellt, müssen Sie das Problem beheben. Der beste Weg, um elektrische Rundlauffehler in Magnetwellen zu beseitigen, ist die Verwendung kapazitiver Sensoren. Wellenschlag-Sensoranwendungen finden jedoch häufig in feuchten und schmutzigen Umgebungen statt, in denen ein Wirbelstromsensor erforderlich ist. Hier sind einige Methoden zum Beseitigen oder Reduzieren von Stromausfällen.

Verwenden Sie die größtmögliche Sonde. Das Erfassungsfeld eines Wirbelstrom-Wellensensors ist dreimal so groß wie der Durchmesser der Sonde. Die Sondenausgabe ist ein Durchschnitt von allem in diesem Feld. Bei Verwendung einer größeren Sonde wird eine größere Fläche des Schafts und seine lokalisierten magnetischen Inkonsistenzen gemittelt. Verwenden Sie jedoch keine Sonde, die zu groß für den Schaft ist (siehe oben).

Nichtmagnetische Hülse. Das Wirbelstrom-Erfassungsfeld dringt nicht sehr tief in das Material ein. Eine 0.5 mm (oder dickere) Aluminium- oder Kupferhülse liefert ein nichtmagnetisches Ziel für den Wellenschlag-Sensor.

Fazit

Das Messen des Wellenschlags ist eine gängige und nützliche Messung, insbesondere für die Zustandsüberwachung. Durch die Verwendung eines einzelnen Sensors und einer Methode zum Ableiten eines einzelnen Gesamtschlagwerts können Sie Basisschlagzahlen und Schwellenwerte für Bedienereingriffe festlegen. Kapazitive und Wirbelstromsensoren bieten in Abhängigkeit von den Messspezifikationen für den Wellenschlag und den Umgebungsbedingungen der Anwendung hervorragende Lösungen.