Medição de desvio de eixo com sensores de deslocamento sem contato

Nota sobre a aplicação de detecção geral LA05-0022

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Resumo:

Desvio do eixo é uma medida comum, especialmente para monitoramento de condições. Capacitivo e corrente de Foucault Os sensores fornecem soluções úteis de medição sem contato, com vantagens e desvantagens distintas.

Fundamentos

Acabar

Desvio é o deslocamento da superfície de um objeto em rotação. Os eixos não redondos terão desvio significativo por definição.

De acordo com ASME / ANSI B5.54-2005 Métodos para avaliação de desempenho de centros de usinagem controlados por computador"excentricidade”É a leitura total do indicador (TIR) ​​de um instrumento que mede contra uma superfície móvel. Geralmente, este é um movimento rotativo e é medido para uma rotação completa. Isso significa que o valor da execução é uma combinação de vários tipos de movimentos de erro, erros de formulário e fatores de forma:

  • forma do eixo
  • retidão do eixo
  • erros de centralização na localização do eixo em relação ao eixo de rotação (excentricidade), e
  • erros no próprio eixo de rotação que é produto de vários fatores:
    • desempenho do rolamento de tração
    • estrutura da máquina
    • alinhamento de tração (inclinação)
  • erros no instrumento de medição (indicador ou sensor)

Embora existam técnicas para refinar um medição do desvio do eixo para apenas um ou alguns desses componentes, o objetivo desta Nota de Aplicação é medir desvio total com todos os seus fatores contribuintes (exceto erros do sensor). As técnicas descritas aqui visam minimizar ou eliminar a contribuição do sensor para o resultado final. Quando aplicadas corretamente, as medições de corrente de Foucault e sensor capacitivo sem contato do desvio do eixo produzirão resultados com erros insignificantes no sensor.

Desvio radial do eixo

Escoamento Radial

O desvio radial é perpendicular ao eixo de rotação.

Desvio radial do eixo é uma medida do deslocamento radial da superfície do eixo quando o eixo gira. Assumindo um eixo redondo, os fatores que contribuem para o desvio radial incluem a retidão do eixo, o alinhamento do acionamento / eixo, a rigidez do rolamento e o aumento do desvio à medida que os rolamentos se desgastam. O equilíbrio é um fator de desvio que depende das relações entre velocidade e rigidez e desgaste do rolamento e rigidez geral do sistema. O desvio radial do eixo é geralmente usado para indicar desgaste nos rolamentos de acionamento.

Desvio axial do eixo

Escoamento axial

O desvio axial é medido no centro de rotação para evitar que os erros de nivelamento / inclinação do eixo afetem a medição.

Desvio axial do eixo é uma medida do deslocamento axial do eixo quando ele gira. Essa medição é realizada no centro do eixo (no eixo rotativo). As medições fora do centro são chamadas de "desvio da face", nas quais a planicidade e a quadratura da superfície se tornam fatores contribuintes para a medição - fatores que não são de interesse na maioria das aplicações. O desvio axial do eixo é usado principalmente para o monitoramento da condição do rolamento axial.

Forma do eixo

Pela definição acima, as formas não redondas sempre apresentam um desvio significativo. Um eixo oval ou hexagonal que está girando perfeitamente ainda terá um desvio significativo, pois o indicador responde a deslocamentos radiais da superfície do eixo devido ao formato do eixo.

Esta nota de aplicação pressupõe que o eixo que está sendo medido é redondo.

Retidão do eixo

Retidão do eixo

A retidão do eixo afeta a medição do desvio.

O desvio radial é afetado pela retidão do eixo. Se o eixo estiver dobrado, as medições do desvio dependerão da localização da medição ao longo do comprimento do eixo e da localização e gravidade da dobra. Se um eixo for fixado nas duas extremidades (por exemplo, entre o acionamento e uma caixa de engrenagens), o desvio máximo tenderá a ficar próximo ao centro. Se o eixo for fixado apenas na extremidade de acionamento (por exemplo, motores acionando ventiladores ou hélices), o desvio tenderá a ser pior na extremidade flutuante do eixo.

Um eixo de outra maneira reto pode ser montado de modo que a linha central do eixo não fique paralela ao eixo de rotação. Nesse caso, as medições de desvio dependerão de onde a medição é feita ao longo do eixo.

Componentes de desvio de eixo síncrono e assíncrono

Alguns componentes de desvio, como fora-de-arredondamento do eixo ou uma inclinação no inversor, serão repetidos em determinados locais angulares da rotação; estes são movimentos de erro síncronos. Outros componentes do desvio do eixo, como as frequências do rolamento (desvio devido à irregularidade dos elementos rolantes no rolamento) são cíclicos, mas não se repetem nos mesmos locais angulares e são chamados de movimentos de erro assíncronos.

Tempo real / instantâneo

Gráfico de eixo giratório

Deslocamentos em tempo real do eixo rotativo podem ajudar a identificar problemas específicos, mas é uma medição mais complicada.

Os valores instantâneos do deslocamento radial ou axial do eixo podem ser medidos e registrados em cada local angular à medida que o eixo gira. Isso fornece uma imagem dos deslocamentos instantâneos que contribuem para a medição do desvio total. Essa abordagem é usada para equilibrar as operações ou para ajudar a identificar causas específicas de desvio. Esses tipos de medidas requerem técnicas e ferramentas comparativamente sofisticadas, como as da Lion Precision Analisador de erro do eixo. Esta nota de aplicação é focada em uma única medição do desvio total do eixo.

Desvio total do eixo

Em muitas circunstâncias, especialmente no monitoramento de condições, o único valor de preocupação é um valor único, indicando o desvio total do eixo. Esse número geralmente é uma média ou pico de várias leituras TIR durante um período de tempo e várias rotações. À medida que os rolamentos e outros componentes se desgastam, a folga total do eixo aumenta. No monitoramento de condições, um valor limite é definido acima do qual o sistema é encerrado e o reparo ou reconstrução é iniciado.

Medições de desvio com sensores sem contato

A medição do desvio do eixo durante a operação requer um sensor sem contato. Os tipos de sensores mais adequados para essa medição são sensores de deslocamento capacitivo e sensores de deslocamento com corrente de Foucault (às vezes chamados de sensores de deslocamento indutivo).

Corrente capacitiva ou de redemoinho

Sensores de deslocamento capacitivo oferecer alta precisão; eles funcionam igualmente bem com todos os materiais condutores; eles funcionam bem com eixos de pequeno diâmetro. Mas eles exigem um ambiente limpo. Sensores de deslocamento por correntes de Foucault trabalham em ambientes úmidos e sujos e podem ser montados mais longe do eixo. Mas eles devem ser calibrados para um material específico, não funcionam tão bem com eixos menores (<8 X Diâmetro de Sonda) e são mais "barulhentos" quando usados ​​com eixos de aço magnético por causa do "desvio elétrico" (veja os detalhes abaixo em a seção Considerações sobre correntes parasitas).

Montagem da sonda

Esses sensores sem contato consistem em uma sonda (cabeçote de medição) conectada por meio de um cabo aos componentes eletrônicos que acionam a sonda e fornecem uma tensão de saída proporcional às mudanças na distância entre a sonda e o eixo.

A sonda é montada a uma distância do eixo aproximadamente no centro de sua faixa de medição. Isso permite excursões máximas do eixo nas duas direções para permanecer dentro da faixa funcional da sonda.

Após a montagem da sonda, gire o eixo lentamente para verificar o alcance. Certifique-se de que a sonda não entre em contato com o eixo no ponto mais próximo e que fique na faixa durante toda a rotação.

Qualquer alteração de distância entre a sonda e o eixo fará parte da medição do desvio do eixo. Portanto, é importante que a sonda seja montada rigidamente para impedir que vibrações ou outros movimentos externos desloquem a sonda em relação ao eixo.

Diagrama de sonda de montagem

Derivação do desvio total do eixo

Esgotamento Total

O “Total Runout” pode ser medido com capturas TIR (pico a pico) do sinal de runout.

As medições de desvio de eixo do sensor sem contato rastreiam os deslocamentos instantâneos em tempo real enquanto o eixo gira. Essa saída deve ser condicionada para derivar uma única medição de "desvio total". O valor da execução pode ser um tipo de valor médio ou um valor de pico. O método específico para criar um valor total de execução dependerá do aplicativo.

Normalmente, um valor de execução da linha de base é definido, bem como um limite acima do qual o sistema precisa de atenção do operador. Nesse tipo de sistema de monitoramento de condições, as unidades de medida não são críticas; quaisquer que sejam as unidades, o estabelecimento de valores de linha de base e de limiar é a parte crítica da medição.

Valores médios

Esgotamento Total

A alteração do "desvio total" pode ser medida com a opção Tracking TIR do módulo MM190.

Os valores de saída podem ser calculados ao longo do tempo usando algum tipo de voltímetro CA. Eles estão disponíveis como instrumentos discretos ou podem estar disponíveis no software de suporte para um sistema de aquisição de dados. É importante considerar a capacidade do medidor de medir na frequência de rotação do eixo.

Valores de pico

Os picos dos valores de saída podem ser capturados e o sistema pode relatar a diferença entre os picos máximo e mínimo. Esta é uma medição TIR (leitura total do indicador). Os sistemas que capturam esses picos precisam ser redefinidos periodicamente para manter o valor atual, caso diminua. Se estiver usando Sensores capacitivos da série Elite para medição do desvio do eixo, o Módulo de processamento de medidores e sinais MM190 pode capturar e exibir valores de pico. O MM190 também possui o Tracking TIR, que captura os valores de pico, mas permite que os valores se deteriorem com o tempo; dessa forma, o valor exibido é mantido atual sem que seja necessário um reset, mesmo quando o tempo de execução diminui. O MM190 não é uma opção para sensores de corrente de Foucault.

Considerações exclusivas para medições de corrente de Foucault (indutivas) do desvio do eixo

Os sensores de corrente de Foucault são calibrados para um material exclusivo. Para manter a precisão, os sensores devem ser usados ​​com esse material específico.

Os sensores de corrente parasita são normalmente calibrados para um alvo plano. O diâmetro do eixo deve ser 8 a 10 vezes maior que o diâmetro da sonda de corrente de Foucault para fornecer um alvo suficientemente plano para medições precisas. Além disso, como os sensores de corrente de Foucault interferem um com o outro se estiverem muito próximos, um diâmetro de eixo desse tamanho fornece espaçamento suficiente entre as sondas quando duas sondas são usadas para monitorar o desvio a 90 ° de distância.

Runout elétrico

Runout elétrico

Sensores de corrente de Foucault leem erros de "fuga elétrica" ​​de materiais magnéticos de aço; sensores capacitivos não.

Os materiais magnéticos têm uma propriedade chamada desvio elétrico. Pequenas diferenças localizadas nas propriedades magnéticas do material afetam a interação com os campos magnéticos do sensor de corrente de Foucault. As diferenças resultam da composição química local, estrutura cristalina e domínios magnéticos que são afetados pelo histórico de calor, grau de estresse por trabalho a frio, tratamentos de superfície e exposição a campos magnéticos. Quanto maiores essas diferenças, maior o desvio elétrico. À medida que o eixo de aço magnético gira, a saída do sensor de corrente de Foucault muda em resposta ao desvio elétrico do material, mesmo que o espaço entre o sensor e o eixo não mude (sem desvio mecânico). As imagens à direita comparam um sensor capacitivo e um sensor de corrente de Foucault que medem o mesmo eixo de aço magnético. Materiais não ferrosos como cobre e alumínio não apresentam esse fenômeno em nenhum nível significativo. O aço não magnético, embora melhor que o aço magnético, ainda exibe um pequeno desvio elétrico.

O desvio elétrico geralmente é inferior a 75 µm (0.003 polegadas), que geralmente é apenas uma fração da faixa de medição do sensor de desvio do eixo de corrente de Foucault. Em algumas aplicações, o desvio elétrico é pequeno em comparação com o desvio da linha de base do eixo e, portanto, não introduz nenhum erro significativo na medição do desvio total do eixo.

Atenuação do desvio elétrico

Se a medição do desvio do eixo precisar ser tão precisa que o desvio elétrico seja um erro significativo, você terá que resolver o problema. A melhor maneira de eliminar erros de desvio elétrico em eixos magnéticos é usar sensores capacitivos. Mas as aplicações dos sensores de desvio de eixo geralmente estão em ambientes úmidos e sujos que exigem um sensor de corrente de Foucault. Aqui estão alguns métodos para eliminar ou reduzir o desvio elétrico.

Use a maior sonda possível. O campo de detecção de um sensor de desvio de eixo com corrente de Foucault é três vezes maior que o diâmetro da sonda. A saída da sonda é uma média de tudo dentro desse campo. O uso de uma sonda maior calculará a média de uma área maior do eixo e de suas inconsistências magnéticas localizadas. Mas certifique-se de não usar uma sonda muito grande para o eixo (veja acima).

Manga não magnética. O campo sensor de corrente de Foucault não penetra profundamente no material. Uma luva de alumínio ou cobre de 0.5 mm (ou mais espessa) fornecerá um alvo não magnético para o sensor de desvio do eixo.

Conclusão

A medição do desvio do eixo é uma medida comum e útil, especialmente para o monitoramento de condições. O uso de um único sensor e um método para derivar um único valor total de execução permite definir números e limites de execução da linha de base para a intervenção do operador. Os sensores capacitivos e de corrente de Foucault oferecem excelentes soluções, dependendo das especificidades da medição do desvio do eixo e das condições ambientais da aplicação.