非接触式位移传感器进行轴跳动测量

一般传感应用笔记LA05-0022

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概要:

轴跳动 是一种常见的测量,尤其是用于状态监视。 电容式 以及 电涡流 传感器提供有用的非接触式测量解决方案,具有明显的优缺点。

基本原理

跳动

跳动是旋转物体表面的位移。 根据定义,非圆轴的跳动较大。

根据ASME / ANSI B5.54-2005 计算机数控加工中心性能评估方法跳动”是在移动表面上测量的仪器的总指示器读数(TIR)。 这通常是旋转运动,并测量了完整的旋转。 这意味着跳动值是多种类型的误差运动,形状误差。形状因素有:

  • 轴的形状
  • 轴的直线度
  • 轴相对于理论旋转轴线的位置的定心误差(偏心),以及
  • 旋转轴线本身的误差,它本身是几个因素的产物:
    • 驱动轴承性能
    • 机械结构
    • 驱动器对齐(倾斜)
  • 测量仪器误差(指示器或传感器)

虽然已经存在精调 轴跳动测量 中的一个或几个要素,而本应用笔记的目的是测量  总跳动  及其所有影响因素(传感器错误除外)。 这里描述的技术旨在最小化或消除传感器对最终结果的影响。 正确应用后,轴跳动的非接触式电涡流和电容式传感器测量将产生可忽略不计的传感器误差结果。

径向轴跳动

径向跳动

径向跳动垂直于旋转轴。

径向轴跳动 是轴旋转时轴表面径向位移的量度。 假设轴为圆形,则径向跳动的影响因素包括轴的直线度,驱动器/轴的对中,轴承刚度以及随着轴承磨损而增加的跳动。 平衡是一个跳动因子,它取决于速度和轴承刚度与磨损以及整体系统刚度之间的关系。 径向轴的跳动通常用于指示驱动轴承的磨损。

轴向轴跳动

轴向跳动

在旋转中心测量轴向跳动,以防止轴端平面度/矩形度误差影响测量。

轴向轴跳动 是轴旋转时轴向位移的量度。 该测量是在轴的中心(在旋转轴上)进行的。 偏离中心的测量称为“面跳动”,其中表面的平整度和直角度成为影响测量的因素,这些因素在大多数应用中并不重要。 轴向轴跳动主要用于推力轴承的状态监控。

轴形状

根据上面的定义,非圆形总是有很大的跳动。 完美旋转的椭圆形或六角形轴仍将具有明显的跳动,因为指示器会根据轴形状对轴表面的径向位移做出响应。

本应用笔记假设被测轴是圆形的。

轴直线度

轴直线度

轴的直线度会影响跳动量。

径向跳动受轴直线度的影响。 如果轴弯曲,则跳动测量将取决于沿轴长度的测量位置以及弯曲的位置和严重程度。 如果将轴固定在两端(例如,在驱动器和齿轮箱之间),则最大跳动将趋于靠近中心位置。 如果轴仅固定在驱动端(例如,电动机驱动风扇或螺旋桨),则在轴的浮动端的跳动会变差。

然而一根比较直的轴,可能会被安装成轴的中心线不平行于旋转轴线。 在这种情况下,跳动测量将取决于沿轴进行测量的具体位置。

同步和异步轴跳动分量

一些跳动分量,例如轴不圆度或驱动器倾斜,将在旋转的某些角度位置重复; 这些是同步误差运动。 其他轴跳动分量(例如轴承频率(由于轴承中滚动元件的不圆度引起的跳动))是周期性的,但在相同的角度位置不会重复,因此称为异步误差运动。

实时/即时

旋转轴图

旋转轴的实时位移可以帮助识别特定问题,但测量更为复杂。

当轴旋转时,可以在每个角度位置测量并记录径向或轴向轴位移的瞬时值。 这提供了有助于总跳动测量的瞬时位移图。 此方法用于平衡操作或帮助确定跳动的特定原因。 这些类型的测量需要相对复杂的技术和工具,例如Lion Precision的 主轴误差分析仪。 本应用笔记着重于总轴跳动的单次测量。

总轴跳动

在许多情况下,尤其是状态监视,唯一需要关注的值是指示轴总跳动的单个值。 该数字通常是一段时间内多次旋转的多个TIR读数的平均值或峰值。 随着轴承和其他部件的磨损,总的轴跳动将增加。 在状态监视中,设置了一个阈值,在该阈值之上,系统将关闭,并开始进行维修或重建。

非接触式传感器的跳动测量

在旋转运动中测量轴跳动需要非接触式传感器。 最适合此测量的传感器类型为电容式位移传感器和电涡流位移传感器(有时称为感应式位移传感器)。

电容式或电涡流

电容式位移传感器 提供高精度; 它们可与所有导电材料同样良好地工作; 它们适用于小直径轴。 但是它们需要一个干净的环境。 电涡流位移传感器 可以在潮湿,肮脏的环境中工作,并且可以安装在离轴更远的地方。 但是必须将它们校准为特定的材料,在较小的轴(<8 X探头直径)下不能很好地工作,并且在与电磁钢轴一起使用时,由于“电跳动”而更加“嘈杂”(请参见下面的详细信息)。涡流注意事项部分)。

安装探头

这些非接触式传感器由一个探头(测量头)组成,该探头通过电缆连接到驱动探头的电子设备,并提供与探头和轴之间的距离变化成比例的输出电压。

探头安装在距轴一定距离的位置,大致位于其测量范围的中心。 这样可以使轴在两个方向上的最大偏移保持在探头的测量范围内。

安装探头后,缓慢旋转轴以检查范围。 确保测头不会在最接近的点接触轴,并且在整个旋转过程中都保持在范围内。

探头与轴之间的距离的任何变化都将成为轴跳动测量的一部分。 因此,重要的是将探头牢固地安装以防止振动或其他外部运动使探头相对于轴发生移位。

安装探针图

推导总轴跳动

总跳动

可以用跳动信号的TIR(峰对峰)捕获来测量“总跳动”。

当轴旋转时,来自非接触式传感器的轴跳动测量实时跟踪瞬时位移。 必须调节此输出以得出单个“总跳动”测量值。 跳动值可以是平均值或峰值的类型。 创建总跳动值的具体方法取决于应用程序。

通常,设置基线跳动值以及阈值,高于该阈值系统需要操作员注意。 在这种状态监视系统中,度量单位不是很关键。 无论采用哪种单位,建立基准线和阈值都是衡量的关键。

平均值

总跳动

可以使用MM190模块的“跟踪TIR”选项来测量“总跳动”。

使用某种类型的交流电压表可以将输出值随时间平均。 这些可以作为离散仪器使用,也可以在数据采集系统的支持软件中使用。 重要的是要考虑仪表在轴的旋转频率下进行测量的能力。

峰值

可以捕获输出值的峰值,并且系统可以报告最大和最小峰值之间的差异。 这是TIR(总指示器读数)测量。 捕获这些峰值的系统必须定期复位,以保持当前值减小。 如果使用 Elite系列电容式传感器 对于轴跳动测量, MM190仪表和信号处理模块 可以捕获并显示峰值。 MM190还具有跟踪TIR,它可以捕获峰值,但允许这些值随时间衰减。 这样,即使跳动减小,显示的值仍保持最新,而无需复位。 MM190不是电涡流传感器的选配件。

轴跳动电涡流(电感)测量的独特考虑

电涡流传感器针对独特材料进行了校准。 为了保持精度,传感器必须与该特定材料一起使用。

通常将涡流传感器校准为平坦的目标。 轴直径应比电涡流探头直径大8-10倍,以为精确测量提供足够平坦的目标。 同样,由于电涡流传感器如果太靠近会相互干扰,因此当两个探头用于监视相距90°的跳动时,此尺寸的轴直径可在探头之间提供足够的间距。

电气跳动

电气跳动

电涡流传感器读取磁性钢材料中的“电气跳动”误差; 电容式传感器则没有。

磁性材料具有称为电气跳动的特性。 材料内磁性能的局部小差异会影响与电涡流传感器磁场的相互作用。 这种差异是由局部化学成分、晶体结构和磁畴等因素引起的,它们又受热历史、冷加工应力程度、表面处理和暴露于磁场等的影响。 这些差异越大,电气跳动越大。 随着磁性钢轴的旋转,即使传感器和轴之间的间隙没有变化(无机械跳动),电涡流传感器的输出也会响应于材料的电气跳动而变化。 右图比较了电容传感器和电涡流传感器,该传感器测量的是同一个磁性钢轴。 诸如铜和铝之类的有色金属材料在任何显着水平上都没有这种现象。 非磁性钢虽然比磁性钢更好,但仍显示出较小的电气跳动。

电气跳动通常小于75 µm(0.003英寸),通常仅为电涡流传感器的轴跳动测量范围的一小部分。 在某些应用中,与轴的基线跳动相比,电气跳动较小,因此不会在总轴跳动测量中引入任何重大误差。

减轻电气跳动

如果您的轴跳动测量需要非常精确,以至于电气跳动将是一个严重的错误,那么您就必须解决这个问题。 消除磁性轴中电气跳动误差的最佳方法是使用电容式传感器。 但是轴跳动传感器的应用通常在潮湿和肮脏的环境中,需要电涡流传感器。 这里有一些消除或减少电气跳动的方法。

使用最大的探头。 电涡流轴跳动传感器的检测磁场是探头直径的三倍。 探头输出是该区域内所有内容的平均值。 使用更大的探头将平均更大的轴面积及其局部磁性不一致。 但是请确保不要对轴使用太大的探头(请参见上文)。

无磁套。 电涡流检测磁场不会很深地渗透到材料中。 0.5毫米(或更厚)的铝或铜套筒将为轴跳动传感器提供非磁性目标。

总结

测量轴跳动是一种常见且有用的测量方法,尤其是用于状态监测。 使用单个传感器和一种方法得出单个总跳动值,就可以设置基线跳动数和操作员干预的阈值。 电容式和电涡流传感器都可以提供出色的解决方案,具体取决于轴跳动测量的具体情况和应用的环境条件。