非接触変位センサーによる軸振れ測定

一般的なセンシングアプリケーションノートLA05-0022

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概要

軸振れ 特に状態監視の一般的な測定値です。 静電容量方式   渦電流 センサは、異なる利点と欠点を有する有用な非接触測定ソリューションを提供します。

基礎

振れ

振れは、回転するオブジェクトの表面の変位です。 丸くないシャフトには、定義上かなりの振れがあります。

ASME / ANSI B5.54-2005に準拠 コンピューター数値制御マシニングセンタの性能評価のための方法"振れ」移動表面に対して測定器の総インジケータ読み取り(TIR)です。 これは通常、回転運動であり、完全な回転のために測定されます。 つまり、振れ値は、いくつかのタイプのエラーモーション、フォームエラー、およびフォームファクターの組み合わせです。

  • シャフトの形状
  • シャフトの真直度
  • 回転軸に対する軸の位置の中心誤差(偏心)、および
  • いくつかの因子の積である自体回転自体の軸の誤差:
    • ドライブベアリング性能
    • 機械構造
    • ドライブのアライメント(傾き)
  • 測定器のエラー(インジケータまたはセンサー)

技術を洗練するために存在している間 軸振れ測定 ただXNUMXつまたは複数のこれらの構成要素のいくつかに、このアプリケーションノートの目的は、測定することです 総振れ そのすべての要因(センサーエラーを除く)。 ここに記載された技術は、最終的な結果にセンサーの貢献を最小化または排除することを意図しています。 適切に適用された場合、シャフトの振れの非接触渦電流および静電容量センサー測定は、無視できるセンサー誤差で結果を生成します。

ラジアルシャフトの振れ

ラジアル振れ

放射状の振れは、回転軸に垂直です。

ラジアルシャフトの振れ 軸回転すると、シャフト表面の半径方向の変位の測定です。 丸いシャフトを想定して、半径方向の振れに寄与する要因には、シャフトの真直度、ドライブ/シャフトの位置合わせ、ベアリングの剛性、ベアリングの摩耗に伴う振れの増加が含まれます。 バランスは、速度とベアリングの剛性と摩耗、およびシステム全体の剛性の関係に依存する振れ要因です。 ラジアルシャフトの振れは一般的に、ドライブベアリングに摩耗を示すために使用されます。

軸シャフトの振れ

軸方向の振れ

軸の振れは回転の中心で測定され、シャフト端の平坦度/直角度誤差が測定に影響しないようにします。

軸シャフトの振れ シャフトが回転するときのシャフトの軸方向変位の測定値です。 この測定は、(回転軸上)軸の中心で取られています。 ほとんどの用途において重要でない因子 - オフセンター測定は、表面の平坦性及び角形が測定に寄与因子となっている「面振れ」と呼ばれます。 軸方向の軸振れは、主スラスト軸受の状態監視のために使用されます。

シャフト形状

上記の定義では、非円形形状は常に重要な振れを持っています。 完全に回転している楕円形または六角形のシャフトは、インジケーターがシャフトの形状によるシャフト表面の半径方向の変位に反応するため、依然としてかなりの振れがあります。

このアプリケーションノートでは、測定対象のシャフトが丸いことを前提としています。

シャフトの真直度

シャフトの真直度

シャフトの真直度は、振れ測定に影響します。

放射状の振れは、シャフトの真直度の影響を受けます。 シャフトが曲がっている場合は、振れの測定は、シャフトの長さに沿った測定の位置と屈曲の位置および重症度に依存するであろう。 シャフトが両端で固定されている場合(たとえば、ドライブとギアボックスの間)、最大振れは中心近くになる傾向があります。 シャフトは唯一の駆動端(ファンやプロペラを駆動するモータ等)に固定されている場合は振れがシャフトの浮動終わりに悪化する傾向があります。

そうでなければ真っ直ぐなシャフトは、シャフトの中心線が回転軸と平行にならないように取り付けられてもよい。 この場合、振れの測定は、測定がシャフトに沿って取られた場所に依存するであろう。

同期および非同期シャフトランアウトコンポーネント

シャフトの真円度のずれやドライブの傾きなどの一部の振れコンポーネントは、回転の特定の角度位置で繰り返されます。 これらは同期エラーの動きです。 このような(これは外の真円度軸受における転動体に振れ)の周波数を軸受として他方の軸振れ成分が周期的であるが、同じ角度位置で繰り返さない非同期誤差運動と呼ばれます。

リアルタイム/瞬時

回転軸グラフ

回転軸のリアルタイムの変位は、特定の問題の特定に役立ちますが、より複雑な測定です。

半径方向または軸方向の軸変位の瞬時値は、軸の回転に伴って各角度位置で測定し、記録することができます。 これは、全振れの測定に寄与する瞬間変位の画像を提供します。 このアプローチは、オペレーションのバランスをとるためか、振れの具体的な原因を特定するために使用されます。 測定のこれらのタイプは、そのようなライオンプレシジョンのように比較的高度な技術とツールを必要とします スピンドルエラーアナライザー。 このアプリケーション・ノートでは、全シャフトの振れの単一の測定に焦点を当てています。

総シャフト振れ

多くの状況、特に、状態監視では、関心の唯一の値は、全軸振れを表す単一の値です。 この数は、通常時と複数の回転にわたって複数TIR測定値の平均値またはピークです。 ベアリングや他のコンポーネントが摩耗すると、シャフトの振れが全体的に増加します。 状態監視では、閾値は、システムがシャットダウンし、修復または再構築が開始された上記集合です。

非接触センサーによる振れ測定

動作中のシャフトの振れを測定するには、非接触センサーが必要です。 この測定に最適なセンサーのタイプは、容量性変位センサーと渦電流変位センサー(誘導性変位センサーとも呼ばれます)です。

静電容量や渦電流

容量性変位センサ 高精度を提供します。 それらはすべての導電性材料で同等に機能します。 それらは、小径のシャフトでうまく機能します。 ただし、クリーンな環境が必要です。 渦電流変位センサ 濡れた汚れた環境で作業し、シャフトからさらに離して取り付けることができます。 ただし、特定の材料に合わせて校正する必要があり、小さいシャフト(<8 Xプローブ直径)ではうまく機能せず、「電気的振れ」のために磁性鋼シャフトで使用すると「ノイズ」が大きくなります(以下の詳細を参照)。渦電流に関する考慮事項セクション)。

プローブを取り付け

これらの非接触センサーは、ケーブルを介してプローブを駆動する電子機器に接続されたプローブ(測定ヘッド)で構成され、プローブとシャフト間の距離の変化に比例した出力電圧を提供します。

プローブは、測定範囲のほぼ中央にシャフトから距離を置いて取り付けられています。 これは、プローブの機能の範囲内に収まるように両方の方向にシャフトの最大の遠足が可能になります。

プローブを取り付けたら、シャフトをゆっくり回転させて範囲を確認します。 プローブがその最も近い点でシャフトに連絡し、それが全体の回転を通じて範囲内に留まることはないだろうことを確認してください。

プローブとシャフト間の距離の変化は、シャフトの振れ測定の一部になります。 したがって、振動または他の外部運動がシャフトに対してプローブを変位させるのを防ぐために、プローブをしっかりと取り付けることが重要です。

取り付けプローブ図

総軸振れの導出

トータルランアウト

「全振れ」は振れ信号のTIR(ピーク・ツー・ピーク)キャプチャを用いて測定することができます。

非接触センサーからのシャフトの振れ測定は、シャフトが回転するときにリアルタイムで瞬間的な変位を追跡します。 この出力は、単一の「総振れ」測定値を得るために調整する必要があります。 振れ値は、平均値またはピーク値のタイプにすることができます。 総振れ値を作成する特定の方法は、アプリケーションによって異なります。

典型的には、ベースラインの振れ値は、システムがオペレータの注意を必要とする上記閾値と同様に設定されています。 このタイプの状態監視システムでは、測定単位は重要ではありません。 どのユニット、ベースラインと閾値の値の確立は、測定の重要な部分です。

平均値

トータルランアウト

変更「総振れは」MM190モジュールのトラッキングTIRオプションを用いて測定することができます。

出力値は、交流電圧計のいくつかのタイプを使用して経時的に平均化することができます。 これらは、個別の機器として入手可能であるか、またはデータ収集システムのためのサポートソフトウェアで利用できます。 シャフトの回転周波数で測定するメーターの能力を考慮することが重要です。

ピーク値

出力値のピークを捕捉することができ、システムは、最大値と最小ピークの間の差を報告することができます。 これは、TIR(合計指標値)測定です。 これらのピークは、定期的にする必要がキャプチャシステムは、それが減少するはずである値を最新の状態に保つためにリセットします。 使用している場合 エリートシリーズ静電容量センサ 軸振れ測定の場合、 MM190メーターおよび信号処理モジュール ピーク値をキャプチャして表示できます。 MM190はまた、ピーク値を捕捉するが、値は時間とともに減衰することを可能にするトラッキングTIRを有します。 この方法は、表示される値は、振れを小さくした場合でも、リセットが必要なく、現在保持されています。 MM190は、渦電流センサーのオプションではありません。

シャフト振れの渦電流(誘導)の測定のためのユニークな考慮事項

渦電流センサーは、独自の材料用に較正されています。 精度を維持するには、センサーをその特定の材料で使用する必要があります。

渦電流センサーは通常、平らなターゲットに合わせて較正されます。 シャフトの直径は、正確な測定のために十分に平坦なターゲットを提供するために、渦電流プローブ径よりも8~10倍大きくなければなりません。 また、渦電流センサーは互いに接近しすぎると互いに干渉するため、このサイズのシャフト直径は、90つのプローブを使用してXNUMX°離れた振れを監視するときにプローブ間の十分な間隔を提供します。

電気振れ

電気振れ

渦電流センサーは、磁性鋼材料から「電気的振れ」エラーを読み取ります。 静電容量センサーはしないでください。

磁性材料には、電気的振れと呼ばれる特性があります。 小は、材料内の磁気特性の違いは、渦電流センサの磁場との相互作用に影響を与えるローカライズ。 違いは、熱履歴、冷間加工応力の程度、表面処理、および磁場への暴露の影響を受ける局所的な化学組成、結晶構造、および磁区に起因します。 これらの差が大きいほど、電気的振れが大きくなります。 磁性鋼シャフトターンとして、渦電流センサの出力は、センサとシャフトとの間のギャップが(機械的振れ)を変更しません場合でも、材料の電気振れに応じて変化します。 右の画像は、静電容量センサと渦電流センサは、同一の磁性鋼シャフトを測定し比較します。 銅やアルミニウムなどの非鉄材料は、有意なレベルでこの現象を持っていません。 非磁性鋼は、磁性鋼よりも優れているが、まだ小さい電気振れを示します。

通常、電気的振れは75 µm(0.003インチ)未満であり、これは多くの場合、渦電流シャフト振れセンサーの測定範囲のほんの一部です。 一部のアプリケーションでは、電気的振れはシャフトのベースライン振れと比較して小さいため、シャフトの振れ測定全体に大きな誤差は生じません。

電気的振れの軽減

シャフトの振れの測定値が非常に正確であるため、電気の振れが重大なエラーになる場合は、問題に対処する必要があります。 磁性シャフトに電気振れ誤差を排除するための最良の方法は、容量センサを使用することです。 しかし、軸振れセンサーのアプリケーションは、渦電流センサを必要と濡れや汚れた環境であることが多いです。 以下に、電気的振れを除去または削減するためのいくつかの方法を示します。

可能な最大のプローブを使用してください。 渦電流軸振れセンサの検知領域は、プローブの直径よりもXNUMX倍大きいです。 プローブ出力は、そのフィールド内のすべての平均です。 大きいプローブを使用すると、シャフトと、その局在磁気不整合の大きな面積を平均化します。 ただし、シャフトには大きすぎるプローブを使用しないでください(上記参照)。

非磁性スリーブ。 渦電流検知場は、材料にあまり深く浸透しません。 0.5ミリメートル(または厚い)アルミニウムまたは銅スリーブは、軸振れセンサ用非磁性ターゲットを提供します。

結論

軸の振れを測定することは、特に状態監視にとって一般的で有用な測定です。 単一のセンサーとメソッドを使用して、単一の合計振れ値を導き出すと、ベースラインの振れ番号とオペレーター介入のしきい値を設定できます。 静電容量センサーと渦電流センサーはどちらも、シャフトの振れ測定の仕様とアプリケーションの環境条件に応じて優れたソリューションを提供します。