Medición de Desviación del Eje con Sensores de Desplazamiento sin Contacto

Nota de aplicación de detección general LA05-0022

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Resumen:

Desviación del eje Es una medida común especialmente para el monitoreo de la condición. Capacitiva y los Eddy-Current Los sensores proporcionan soluciones útiles de medición sin contacto con distintas ventajas y desventajas.

Las Bases (Fundamentales)

descentramiento

La desviación es el desplazamiento de la superficie de un objeto giratorio. Los ejes no redondos tendrán una desviación significativa por definición.

De acuerdo con ASME / ANSI B5.54-2005 Métodos para la evaluación del rendimiento de los centros de mecanizado controlados numéricamente por computadora, "descentramiento""Es la lectura total del indicador (TIR) ​​de un instrumento que mide contra una superficie en movimiento. Este suele ser un movimiento giratorio y se mide una rotación completa. Esto significa que el valor de agotamiento es una combinación de varios tipos de movimientos de error, errores de forma y factores de forma:

  • Forma del eje
  • Rectitud del eje
  • Errores de centrado en la ubicación del eje en relación con el eje de rotación (excentricidad)
  • Errores en el eje de rotación que puede ser producto de varios factores:
    • Rendimiento del rodamiento de accionamiento
    • Estructura de la máquina
    • Alineación de la unidad (inclinación)
  • Errores del instrumento de medición (indicador o sensor)

Si bien, existen técnicas para refinar una medición de desviación del eje a solo uno o algunos de estos componentes. El propósito de esta nota de aplicación es medir el agotamiento total con todos sus factores contribuyentes (excepto los errores del sensor). Las técnicas descritas aquí están destinadas a minimizar o eliminar la contribución del sensor al resultado final. Cuando se aplica correctamente, las mediciones del sensor de corriente parásita y capacitiva sin contacto de la desviación del eje producirán resultados con errores insignificantes del sensor.

Desviación del Eje Radial

Excentricidad radial

La desviación radial es perpendicular al eje de rotación.

La desviación del eje radial  es una medida del desplazamiento radial de la superficie del eje a medida que este gira. Suponiendo un eje redondo, los factores que contribuyen a la desviación radial incluyen la rectitud del eje, la alineación del impulsor / eje, la rigidez del cojinete y el aumento de la desviación a medida que los cojinetes se desgastan. El equilibrio es un factor de desviación que depende de las relaciones entre la velocidad y la rigidez y el desgaste del rodamiento, y la rigidez general del sistema. La desviación del eje radial se usa generalmente para indicar el desgaste en los cojinetes de accionamiento.

Desviación del Eje Axial

Excentricidad axial

La desviación axial se mide en el centro de rotación para evitar que los errores de planitud / cuadratura del extremo del eje afecten la medición.

La desviación del eje axial  es una medida del desplazamiento axial del eje a medida que gira. Esta medida se toma en el centro del eje (en el eje rotativo). Las mediciones descentradas se denominan "desviación frontal" en las que la planitud y la cuadratura de la superficie se convierten en factores contribuyentes a la medición, factores que no son de interés en la mayoría de las aplicaciones. La excentricidad axial del eje se utiliza principalmente para controlar el estado del cojinete de empuje.

Forma del Eje

Según la definición anterior, las formas no redondas siempre tienen una desviación significativa. Un eje ovalado o hexagonal que esté girando perfectamente tendrá una desviación significativa ya que el indicador responde a los desplazamientos radiales de la superficie del eje debido a la forma del eje.

Esta nota de aplicación supone que el eje que se mide es redondo.

Rectitud del Eje

Rectitud del Eje

La rectitud del eje afecta la medición de desviación.

La desviación radial se ve afectada por la rectitud del eje. Si el eje tiene una curva, las mediciones de desviación dependerán de la ubicación de la medición a lo largo de la longitud del eje, y la ubicación, y la gravedad de la curva. Si se fija un eje en ambos extremos (p. Ej. Entre la transmisión y una caja de engranajes), la desviación máxima tenderá a estar cerca del centro. Si el eje solo se fija en el extremo de la transmisión (p. Ej. Motores que conducen ventiladores o hélices), la desviación tenderá a empeorar en el extremo flotante del eje.

De lo contrario, se puede montar un eje recto de modo que la línea central del eje no sea paralela al eje de rotación. En este caso, las mediciones de desviación dependerán de dónde se tome la medición a lo largo del eje.

Componentes de Eje Sincrónico y Asíncrono

Algunos componentes de desviación, como la falta de redondez del eje o una inclinación en la transmisión, se repetirán en ciertas ubicaciones angulares de la rotación; Estos son movimientos de error sincrónicos. Otros componentes de desviación del eje, como las frecuencias de los cojinetes (desviación debido a la falta de redondez de los elementos rodantes en el cojinete) son cíclicos, pero no se repiten en las mismas ubicaciones angulares, y se denominan movimientos de error asincrónicos.

Tiempo Real / Instantáneo

Gráfico de eje giratorio

Los desplazamientos en tiempo real del eje giratorio pueden ayudar a identificar problemas específicos, pero es una medición más complicada.

Los valores instantáneos del desplazamiento radial o axial del eje se pueden medir y registrar en cada ubicación angular a medida que el eje gira. Esto proporciona una imagen de los desplazamientos instantáneos que contribuyen a la medición de la desviación total. Este enfoque se utiliza para equilibrar operaciones o, para ayudar a identificar causas específicas de agotamiento. Este tipo de mediciones requieren técnicas y herramientas comparativamente sofisticadas como las de Lion Precision Analizador de Errores de Husillo. Esta nota de aplicación se centra en una sola medición de la desviación total del eje.

Desviación Total del Eje

En muchas circunstancias, especialmente en el monitoreo de la condición, el único valor de preocupación es un valor único que indica la desviación total del eje. Este número suele ser un promedio o un pico de múltiples lecturas TIR durante un período de tiempo y múltiples rotaciones. A medida que se desgastan los cojinetes y otros componentes, aumentará la desviación total del eje. En la supervisión de la condición, se establece un valor de umbral por encima del cual se apaga el sistema y se inicia la reparación o reconstrucción.

Mediciones de Desviación con Sensores sin Contacto

La medición de la desviación del eje mientras está en funcionamiento requiere un sensor sin contacto. Los tipos de sensores adecuados para esta medición son los sensores de desplazamiento capacitivos y los sensores de desplazamiento por corrientes parásitas (a veces llamados sensores de desplazamiento inductivos).

Corriente Capacitiva o Eddy Current

Sensores de desplazamiento capacitivos ofrecen alta precisión; funcionan bien con todos los materiales conductores; funcionan bien con ejes de pequeño diámetro, pero requieren un ambiente limpio. Sensores de desplazamiento de corrientes parásitas funcionan en entornos húmedos y sucios y se pueden montar más lejos del eje. Pero deben calibrarse para un material específico, no funcionan tan bien con ejes más pequeños (<8 x diámetro de la sonda) y son más "ruidosos" cuando se utilizan con ejes de acero magnéticos debido a la "desviación eléctrica" ​​(consulte los detalles a continuación en la sección Consideraciones sobre corrientes de Foucault).

Montaje de la Sonda

Estos sensores sin contacto consisten de una sonda (cabezal de medición) que está conectada mediante un cable a la electrónica, que impulsa la sonda y provee un voltaje de salida proporcional a los cambios en la distancia entre la sonda y el eje.

La sonda se monta a una distancia del eje aproximadamente en el centro de su rango de medición. Esto permite excursiones máximas del eje en ambas direcciones para permanecer dentro del rango funcional de la sonda.

Después de montar la sonda, gire el eje lentamente para verificar el rango. Asegúrese de que la sonda no haga contacto con el eje en su punto más cercano y que permanezca dentro del rango durante toda la rotación.

Cualquier cambio de distancia entre la sonda y el eje será parte de la medición de desviación del eje. Por lo tanto, es importante que la sonda esté montada rígidamente para evitar que la vibración u otros movimientos externos desplacen la sonda en relación con el eje.

Diagrama de la sonda de montaje

Derivando la desviación total del eje

Excentricidad total

El “agotamiento total” se puede medir con capturas TIR (pico a pico) de la señal de agotamiento.

Las mediciones de desviación del eje desde el sensor sin contacto rastrean los desplazamientos instantáneos en tiempo real a medida que el eje gira. Esta salida debe estar condicionada para derivar una sola medición de "desviación total". El valor de agotamiento puede ser un tipo de valor promedio o un valor pico. El método específico para crear un valor de agotamiento total dependerá de la aplicación.

Por lo general, se establece un valor de finalización de línea base y un umbral por encima del cual el sistema necesita la atención del operador. En este tipo de sistema de monitoreo de condición, las unidades de medida no son críticas; Ya sea cualquier unidad, el establecimiento de valores de referencia y umbral es la pieza crítica de la medición.

Valores Promedio

Excentricidad total

El cambio de "agotamiento total" se puede medir con la opción Tracking TIR del módulo MM190.

Los valores de salida se pueden promediar con el tiempo utilizando algún tipo de voltímetro de CA. Estos están disponibles como instrumentos discretos o pueden estar disponibles en software de soporte para un sistema de adquisición de datos. Es importante tener en cuenta la capacidad del medidor para medir la frecuencia de rotación del eje.

Valores Máximos

Se pueden capturar picos de valores de salida y el sistema puede informar la diferencia entre los picos máximos y mínimos. Esta es una medida TIR (lectura del indicador total). Los sistemas que capturan estos picos deben reiniciarse periódicamente para mantener el valor actual en caso de que disminuya. Si se usa el Sensores capacitivos de la serie Elite para la medición de desviación del eje, el medidor MM190 y módulo de procesamiento de señal puede capturar y mostrar valores máximos. El MM190 también tiene TIR de seguimiento que captura los valores máximos pero permite que los valores decaigan con el tiempo; de esta manera, el valor mostrado se mantiene actualizado sin que sea necesario un reinicio, incluso cuando se reduce el agotamiento. El MM190 no es una opción para sensores de corrientes parásitas.

Consideraciones únicas para mediciones de Eddy-Current (inductiva) de Desviación del Eje

Los sensores de Eddy-Current están calibrados para un material único. Para mantener la precisión, los sensores deben usarse con ese material específico.

Los sensores de Eddy-Current normalmente están calibrados para un objetivo plano. El diámetro del eje debe ser 8-10 veces mayor que el diámetro de la sonda de corriente parásita para proporcionar un objetivo suficientemente plano para mediciones precisas. Además, debido a que los sensores de Eddy-Current interferirán entre sí, si están demasiado juntos, un diámetro de eje de este tamaño proporciona suficiente espacio entre las sondas cuando se usan dos sondas para monitorear la desviación a 90 °.

Agotamiento Eléctrico

Agotamiento Eléctrico

Los sensores de corriente de Foucault leen errores de "desviación eléctrica" ​​de materiales de acero magnético; sensores capacitivos no.

Los materiales magnéticos tienen una propiedad llamada desviación eléctrica. Pequeñas diferencias localizadas en las propiedades magnéticas dentro del material afectan la interacción con los campos magnéticos del sensor de Eddy-Current. Las diferencias resultan de la composición química local, la estructura cristalina y los dominios magnéticos que se ven afectados por el historial de calor, el grado de estrés por trabajo en frío, los tratamientos superficiales, y la exposición a campos magnéticos. Cuanto mayores sean estas diferencias, mayor será la desviación eléctrica. A medida que el eje de acero magnético gira, la salida del sensor de corriente parásita cambiará en respuesta al agotamiento eléctrico del material, incluso si el espacio entre el sensor y el eje no cambia (sin agotamiento mecánico). Las imágenes de la derecha comparan un sensor capacitivo y un sensor de Eddy-Current, que mide el mismo eje de acero magnético. Los materiales no ferrosos como el cobre y el aluminio no tienen este fenómeno en ningún nivel significativo. El acero no magnético, aunque es mejor que el acero magnético, aún exhibe una pequeña desviación eléctrica.

La desviación eléctrica suele ser inferior a 75 µm (0.003 pulgadas), que a menudo es solo una fracción del rango de medición del sensor de desviación del eje de Eddy-Current. En algunas aplicaciones, la desviación eléctrica es pequeña en comparación con la desviación básica del eje por lo tanto, no introduce ningún error significativo en la medición de desviación total del eje.

Mitigación de la Descarga Eléctrica

Si la medición de la desviación del eje necesita ser tan precisa que la desviación eléctrica será un error significativo, tendrá que abordar el problema. La mejor manera de eliminar los errores de desviación eléctrica en los ejes magnéticos es usar sensores capacitivos. Pero las aplicaciones del sensor de desviación del eje a menudo se encuentran en entornos húmedos y sucios que requieren un sensor de corriente parásita. Aquí hay algunos métodos para eliminar o reducir el agotamiento eléctrico.

Use la sonda más grande posible. El campo de detección de un sensor de desviación del eje de Eddy-Current es tres veces mayor que el diámetro de la sonda. La salida de la sonda es un promedio de todo dentro de ese campo. El uso de una sonda más grande promediará un área más grande del eje y sus inconsistencias magnéticas localizadas. Pero asegúrese de no usar una sonda demasiado grande para el eje (ver arriba).

Funda no magnética. El campo de detección de Eddy-Current no penetra muy profundamente en el material. Una funda de aluminio o cobre 0.5 mm (o más gruesa) proporcionará un objetivo no magnético para el sensor de desviación del eje.

Conclusión

La medición de la desviación del eje es una medida común y útil, especialmente para el monitoreo de la condición. El uso de un solo sensor y un método para derivar un único valor de desviación total le permite establecer números de salida de referencia y umbrales para la intervención del operador. Los sensores capacitivos y de Eddy-Current proporcionan excelentes soluciones dependiendo de los detalles de medición de la desviación del eje y de las condiciones ambientales de la aplicación.