Misurazione del disassamento dell'albero con sensori di spostamento senza contatto

Nota applicativa di rilevamento generale LA05-0022

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Sommario:

Runout dell'albero è una misurazione comune soprattutto per il monitoraggio delle condizioni. Capacitivo , a correnti parassite i sensori offrono utili soluzioni di misurazione senza contatto con vantaggi e svantaggi distinti.

Fondamenti

eccentricità

Il runout è lo spostamento della superficie di un oggetto rotante. Gli alberi non rotondi avranno un runout significativo per definizione.

Secondo ASME / ANSI B5.54-2005 Metodi per la valutazione delle prestazioni dei centri di lavoro a controllo numerico computerizzato, "eccentricità"È la lettura dell'indicatore totale (TIR) ​​di uno strumento che misura su una superficie mobile. Questo di solito è un movimento rotatorio ed è misurato per una rotazione completa. Ciò significa che il valore di runout è una combinazione di diversi tipi di movimenti di errore, errori di forma e fattori di forma:

  • forma dell'albero
  • rettilineità dell'albero
  • errori di centraggio nella posizione dell'albero rispetto all'asse di rotazione (eccentricità), e
  • errori nell'asse di rotazione stesso che è esso stesso un prodotto di diversi fattori:
    • prestazioni dei cuscinetti di trasmissione
    • struttura della macchina
    • allineamento unità (inclinazione)
  • errori dello strumento di misura (indicatore o sensore)

Mentre esistono tecniche per la raffinazione a misurazione del runout dell'albero solo uno o alcuni di questi componenti, lo scopo di questa nota applicativa è misurare runout totale con tutti i suoi fattori che contribuiscono (tranne gli errori del sensore). Le tecniche qui descritte hanno lo scopo di minimizzare o eliminare il contributo del sensore al risultato finale. Se applicate correttamente, le misurazioni della corrente parassita senza contatto e del sensore capacitivo del runout dell'albero produrranno risultati con errori del sensore trascurabili.

Runout dell'albero radiale

Runout radiale

L'eccentricità radiale è perpendicolare all'asse di rotazione.

Scentratura dell'albero radiale è una misura dello spostamento radiale della superficie dell'albero durante la rotazione dell'albero. Supponendo un albero tondo, i fattori che contribuiscono all'eccentricità radiale comprendono la rettilineità dell'albero, l'allineamento della trasmissione / dell'albero, la rigidità del cuscinetto e l'incremento progressivo man mano che i cuscinetti si consumano. L'equilibrio è un fattore di runout che dipende dalle relazioni tra velocità, rigidità e usura dei cuscinetti e rigidità generale del sistema. L'eccentricità dell'albero radiale viene generalmente utilizzata per indicare l'usura dei cuscinetti di trasmissione.

Runout albero assiale

Runout assiale

L'eccentricità assiale viene misurata al centro di rotazione per evitare che gli errori di planarità / quadratura dell'estremità dell'albero influenzino la misurazione.

Runout dell'albero assiale è una misura dello spostamento assiale dell'albero mentre ruota. Questa misurazione viene eseguita al centro dell'albero (sull'asse rotante). Le misurazioni fuori centro sono chiamate "runout del volto" in cui la planarità e la quadratura della superficie diventano fattori che contribuiscono alla misurazione - fattori che non sono interessanti nella maggior parte delle applicazioni. L'eccentricità dell'albero assiale viene utilizzata principalmente per il monitoraggio delle condizioni del cuscinetto reggispinta.

Forma dell'albero

Secondo la definizione sopra, le forme non rotonde hanno sempre un runout significativo. Un albero ovale o esagonale che gira perfettamente avrà comunque un runout significativo poiché l'indicatore risponde agli spostamenti radiali della superficie dell'albero a causa della forma dell'albero.

La presente nota applicativa presuppone che l'albero da misurare sia rotondo.

Rettilineità dell'albero

Rettilineità dell'albero

La rettilineità dell'albero influenza la misurazione del runout.

L'eccentricità radiale è influenzata dalla rettilineità dell'albero. Se l'albero è piegato, le misurazioni di runout dipenderanno dalla posizione della misurazione lungo la lunghezza dell'albero e dalla posizione e dalla gravità della curva. Se un albero è fissato su entrambe le estremità (ad es. Tra l'azionamento e una scatola del cambio), il runout massimo tenderà ad essere vicino al centro. Se l'albero è fissato solo all'estremità del motore (ad es. Motori che guidano ventole o eliche), il runout tenderà a peggiorare all'estremità flottante dell'albero.

Un albero altrimenti diritto può essere montato in modo tale che la linea centrale dell'albero non sia parallela all'asse di rotazione. In questo caso, le misurazioni di runout dipenderanno da dove viene eseguita la misurazione lungo l'albero.

Componenti di runout dell'albero sincrono e asincrono

Alcuni componenti di eccentricità come la rotondità dell'albero o l'inclinazione nell'azionamento si ripetono in determinate posizioni angolari della rotazione; questi sono movimenti di errore sincroni. Altri componenti di runout dell'albero come le frequenze dei cuscinetti (runout a causa della rotondità degli elementi volventi nel cuscinetto) sono ciclici ma non si ripetono nelle stesse posizioni angolari e sono chiamati movimenti di errore asincroni.

Real-Time / istantaneo

Grafico albero rotante

Gli spostamenti in tempo reale dell'albero rotante possono aiutare a identificare problemi specifici ma è una misurazione più complicata.

I valori istantanei di spostamento radiale o assiale dell'albero possono essere misurati e registrati in ogni posizione angolare durante la rotazione dell'albero. Ciò fornisce un quadro degli spostamenti istantanei che contribuiscono alla misurazione del runout totale. Questo approccio viene utilizzato per operazioni di bilanciamento o per aiutare a identificare cause specifiche di runout. Questi tipi di misurazioni richiedono tecniche e strumenti relativamente sofisticati come Lion Precision Analizzatore errore mandrino. Questa nota applicativa è focalizzata su una singola misurazione del runout totale dell'albero.

Runout totale dell'albero

In molte circostanze, in particolare il monitoraggio delle condizioni, l'unico valore di preoccupazione è un singolo valore che indica il runout totale dell'albero. Questo numero è in genere una media o un picco di più letture TIR per un periodo di tempo e rotazioni multiple. Con l'usura dei cuscinetti e di altri componenti, il disassamento totale dell'albero aumenterà. Nel monitoraggio delle condizioni, viene impostato un valore di soglia al di sopra del quale il sistema viene arrestato e viene avviata la riparazione o la ricostruzione.

Misure di runout con sensori senza contatto

L'eccentricità dell'albero di misurazione durante il funzionamento richiede un sensore senza contatto. I tipi di sensori più adatti a questa misurazione sono i sensori di spostamento capacitivo e i sensori di spostamento a correnti parassite (a volte chiamati sensori di spostamento induttivo).

Corrente capacitiva o parassita

Sensori di spostamento capacitivo offrire alta precisione; funzionano ugualmente bene con tutti i materiali conduttivi; funzionano bene con alberi di piccolo diametro. Ma richiedono un ambiente pulito. Sensori di spostamento a correnti parassite lavora in ambienti umidi e sporchi e può essere montato più lontano dall'albero. Ma devono essere calibrati per un materiale specifico, non funzionano bene con alberi più piccoli (<8 X diametro della sonda) e sono più "rumorosi" se usati con alberi magnetici in acciaio a causa della "eccentricità elettrica" ​​(vedere i dettagli di seguito in la sezione Considerazioni sui correnti parassite).

Montaggio della sonda

Questi sensori senza contatto sono costituiti da una sonda (testina di misurazione) che è collegata tramite un cavo all'elettronica che guida la sonda e fornisce una tensione di uscita proporzionale alle variazioni di distanza tra la sonda e l'albero.

La sonda è montata a una distanza dall'albero approssimativamente al centro del suo campo di misura. Ciò consente alle massime escursioni dell'albero in entrambe le direzioni di rimanere all'interno del campo funzionale della sonda.

Dopo aver montato la sonda, ruotare lentamente l'albero per controllare la portata. Accertarsi che la sonda non tocchi l'albero nel punto più vicino e che rimanga nel raggio per l'intera rotazione.

Qualsiasi cambiamento di distanza tra la sonda e l'albero farà parte della misurazione del runout dell'albero. Pertanto, è importante che la sonda sia montata rigidamente per evitare che vibrazioni o altri movimenti esterni spostino la sonda rispetto all'albero.

Schema della sonda di montaggio

Derivazione del runout totale dell'albero

Concentricità totale

"Total Runout" può essere misurato con acquisizioni TIR (picco-picco) del segnale di runout.

Le misure di disassamento dell'albero dal sensore senza contatto tengono traccia degli spostamenti istantanei in tempo reale mentre l'albero ruota. Questa uscita deve essere condizionata per derivare una singola misurazione di "runout totale". Il valore di runout può essere un tipo di valore medio o un valore di picco. Il metodo specifico per la creazione di un valore di runout totale dipenderà dall'applicazione.

In genere, viene impostato un valore di runout di base e una soglia al di sopra della quale il sistema necessita dell'attenzione dell'operatore. In questo tipo di sistema di monitoraggio delle condizioni, le unità di misura non sono critiche; indipendentemente dalle unità, la determinazione dei valori di base e di soglia è l'elemento critico della misurazione.

Valori medi

Concentricità totale

La modifica del "runout totale" può essere misurata con l'opzione Tracking TIR del modulo MM190.

I valori di uscita possono essere mediati nel tempo utilizzando un tipo di voltmetro CA. Questi sono disponibili come strumenti discreti o possono essere disponibili nel software di supporto per un sistema di acquisizione dati. È importante considerare la capacità del misuratore di misurare alla frequenza di rotazione dell'albero.

Valori di picco

I picchi dei valori di output possono essere acquisiti e il sistema può segnalare la differenza tra i picchi massimo e minimo. Questa è una misurazione TIR (lettura dell'indicatore totale). I sistemi che acquisiscono questi picchi devono essere reimpostati periodicamente per mantenere il valore corrente qualora dovesse diminuire. Se si utilizza Sensori capacitivi serie Elite per la misura del runout dell'albero, il Modulo di misurazione del segnale e del misuratore MM190 può acquisire e visualizzare i valori di picco. L'MM190 ha anche Tracking TIR che acquisisce i valori di picco ma consente ai valori di decadere nel tempo; in questo modo, il valore visualizzato viene mantenuto corrente senza che sia necessario un reset, anche quando si riduce il runout. MM190 non è un'opzione per i sensori a correnti parassite.

Considerazioni esclusive per le misurazioni della corrente parassita (induttiva) del runout dell'albero

I sensori a correnti parassite sono calibrati per un materiale unico. Per mantenere la precisione, i sensori devono essere utilizzati con quel materiale specifico.

I sensori a correnti parassite sono normalmente calibrati su un bersaglio piatto. Il diametro dell'albero dovrebbe essere 8-10 volte più grande del diametro della sonda a correnti parassite per fornire un target sufficientemente piatto per misurazioni accurate. Inoltre, poiché i sensori a correnti parassite interferiscono l'uno con l'altro se troppo vicini tra loro, un diametro dell'albero di queste dimensioni fornisce una spaziatura sufficiente tra le sonde quando vengono utilizzate due sonde per monitorare il disassamento a 90 ° di distanza.

Runout elettrico

Runout elettrico

I sensori a correnti parassite leggono errori di "runout elettrico" da materiali in acciaio magnetico; i sensori capacitivi no.

I materiali magnetici hanno una proprietà chiamata runout elettrico. Piccole differenze localizzate nelle proprietà magnetiche all'interno del materiale influenzano l'interazione con i campi magnetici del sensore a correnti parassite. Le differenze derivano dalla composizione chimica locale, dalla struttura cristallina e dai domini magnetici che sono influenzati dalla storia di calore, dal grado di stress da lavoro a freddo, dai trattamenti superficiali e dall'esposizione ai campi magnetici. Maggiori sono queste differenze, maggiore è il runout elettrico. Quando l'albero magnetico in acciaio gira, l'uscita del sensore a correnti parassite cambierà in risposta all'eccentricità elettrica del materiale anche se lo spazio tra il sensore e l'albero non cambia (nessun esaurimento meccanico). Le immagini a destra confrontano un sensore capacitivo e un sensore a correnti parassite che misurano lo stesso albero magnetico in acciaio. I materiali non ferrosi come rame e alluminio non presentano questo fenomeno a nessun livello significativo. L'acciaio non magnetico, sebbene migliore dell'acciaio magnetico, presenta ancora un piccolo disassamento elettrico.

Il runout elettrico di solito è inferiore a 75 µm (0.003 pollici), che spesso è solo una frazione del campo di misurazione del sensore di runout dell'albero a correnti parassite. In alcune applicazioni, il runout elettrico è piccolo rispetto al runout della linea di base dell'albero e pertanto non introduce alcun errore significativo nella misurazione del runout totale dell'albero.

Runout elettrico attenuante

Se la misurazione del runout dell'albero deve essere così precisa che il runout elettrico sarà un errore significativo, sarà necessario risolvere il problema. Il modo migliore per eliminare gli errori di runout elettrico negli alberi magnetici è utilizzare sensori capacitivi. Ma le applicazioni del sensore di runout dell'albero sono spesso in ambienti bagnati e sporchi che richiedono un sensore a correnti parassite. Ecco alcuni metodi per eliminare o ridurre il runout elettrico.

Utilizzare la sonda più grande possibile. Il campo di rilevamento di un sensore di runout dell'albero a correnti parassite è tre volte più grande del diametro della sonda. L'uscita della sonda è una media di tutto ciò che si trova in quel campo. L'uso di una sonda più grande farà una media di un'area più grande dell'albero e delle sue incoerenze magnetiche localizzate. Ma assicurati di non usare una sonda troppo grande per l'albero (vedi sopra).

Manicotto non magnetico. Il campo di rilevamento a correnti parassite non penetra molto in profondità nel materiale. Un manicotto in alluminio o rame da 0.5 mm (o più spesso) fornirà un bersaglio non magnetico per il sensore di runout dell'albero.

Conclusione

La misurazione del runout dell'albero è una misurazione comune e utile, in particolare per il monitoraggio delle condizioni. L'uso di un singolo sensore e di un metodo per ricavare un singolo valore di runout totale consente di impostare i numeri di runout della soglia e le soglie per l'intervento dell'operatore. I sensori capacitivi e a correnti parassite forniscono entrambi soluzioni eccellenti a seconda delle specifiche di misurazione del runout dell'albero e delle condizioni ambientali dell'applicazione.