技術(shù)與安全知識(shí)

康明斯柴油發(fā)電機(jī)組軸對(duì)準(zhǔn)和熱膨脹

 

摘要：隨著重工業(yè)的大力發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模日趨大型化，柴油發(fā)電機(jī)組不斷朝著大體積、高參數(shù)、高速度、高負(fù)載的方向發(fā)展。大型柴油發(fā)電機(jī)組一般都由軸系來傳遞動(dòng)力，由主軸帶動(dòng)從動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，用來充當(dāng)傳遞力矩、輸出動(dòng)力的關(guān)鍵部件。康明斯公司在本文中針對(duì)大型柴油發(fā)電機(jī)組的對(duì)中問題和常用的對(duì)中方法及適用范圍進(jìn)行了全面分析，并通過軸系對(duì)正計(jì)算公式測算，最后建議主機(jī)廠采用激光對(duì)中儀進(jìn)行大型發(fā)電機(jī)組軸系對(duì)中，測量精度高、操作簡便、適用面廣。

 

一、軸系對(duì)中的基本知識(shí)

 

1、對(duì)準(zhǔn)

      軸對(duì)準(zhǔn)是指將兩個(gè)或多個(gè)軸在特定公差范圍內(nèi)令人滿意地相互連接的過程。對(duì)于發(fā)電機(jī)組，柴油機(jī)和交流發(fā)電機(jī)必須正確對(duì)準(zhǔn)，以確保長和使用壽命。

      軸錯(cuò)位是與旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障相關(guān)的所有成本的50%。當(dāng)耦合時(shí)，柴油機(jī)主要被定義為參考點(diǎn)，而對(duì)準(zhǔn)調(diào)整通常是在交流發(fā)電機(jī)上進(jìn)行的。對(duì)準(zhǔn)對(duì)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性和使用壽命至關(guān)重要，工作振動(dòng)、橡膠聯(lián)軸器工作溫度、軸承可用性和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)準(zhǔn)（氣隙）是容易導(dǎo)致不對(duì)準(zhǔn)的區(qū)域。

     根據(jù)發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)，需要各種確保對(duì)準(zhǔn)的方法；單軸承交流發(fā)電機(jī)和緊密耦合的雙軸承交流發(fā)電機(jī)依靠飛輪殼提供軸對(duì)準(zhǔn)（如圖1所示）。開放式耦合的雙軸承交流發(fā)電機(jī)依賴于精確的軸對(duì)準(zhǔn)程序。通常，橡膠聯(lián)軸器制造商將有需要遵守的最大的偏差公差。此外，還需要考慮工作溫度和軸中心高度，以盡量減少工作條件下的徑向偏差。表1提供了不同速度下徑向偏差的推薦最大值。

表1    根據(jù)工作速度推薦的徑向?qū)?zhǔn)偏移量

 

2、熱膨脹

       在正常運(yùn)行期間，交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部的溫度會(huì)顯著升高。用于建造交流發(fā)電機(jī)的材料，如銅、電鋼、鐵和鋁，將隨著溫度的升高而膨脹。總的來說，在運(yùn)行期間，交流發(fā)電機(jī)的水平和垂直尺寸都會(huì)增大。增長幅度可能很小，但也可能很顯著。因此，有必要對(duì)真實(shí)的對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行熱補(bǔ)償，即長度的增加(?L)，如圖1所示。根據(jù)安裝布置的類型和基底機(jī)架的設(shè)計(jì)，可能需要補(bǔ)償交流發(fā)電機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向熱膨脹。 

      長度?L的變化取決于溫度的變化，?T=T_f -T_i；棒L0的初始長度；一個(gè)常數(shù)是被加熱材料的特性。實(shí)驗(yàn)觀測到的?L和L0?t之間的線性關(guān)系可以用方程來表示：

 ΔL=L0Δt

      式中，α為線性膨脹系數(shù)（10×10-6K-1）；T_f 是最終溫度 (°K)；T_i 是初始溫度 (mm)。

（1）軸向熱膨脹

      以下公式可用于計(jì)算交流發(fā)電機(jī)的軸向熱膨脹率

?L = α ∗ ?T ∗ L 

      式中，ΔL為熱膨脹系數(shù)(mm)；α為線性膨脹系數(shù)（10×10-6K-1）；ΔT是對(duì)準(zhǔn)溫度和預(yù)期的工作溫度之間的溫差(°K)；L是從固定軸承到軸驅(qū)動(dòng)端的距離(mm)。

（2）垂直熱膨脹

      交流發(fā)電機(jī)的垂直熱膨脹可以用底座和軸的中心之間的距離來近似地計(jì)算出來，如下一頁的圖3所示。以下公式可用于計(jì)算交流發(fā)電機(jī)的垂直熱膨脹率：

?H = α ∗ ?T ∗ H

      式中，ΔH為熱膨脹系數(shù)(mm)；α為熱膨脹系數(shù)（10×10-6K-1）；ΔT是對(duì)準(zhǔn)溫度和預(yù)期的工作溫度之間的溫差(°K)；H為軸的高度(mm)。

 

圖1  柴油機(jī)發(fā)電機(jī)飛輪孔對(duì)中檢查方法	圖2  一個(gè)對(duì)象的典型線性展開
圖3  柴油機(jī)軸向熱膨脹曲線圖	圖4  柴油機(jī)垂直熱膨脹曲線圖

 

二、軸不對(duì)中常見情況

 

      軸不對(duì)中情況如圖5所示。兩軸的旋轉(zhuǎn)中心在同一條直線上稱之為對(duì)中，若不在同一直線上稱為不對(duì)中，在對(duì)中的過程中存在著兩個(gè)潛在的平面：水平平面和垂直平面。軸系的不對(duì)中通常會(huì)有以下幾種情況出現(xiàn)：

1、平行偏移

      兩孔或兩軸的端面平行，中心線平行但是不在同一直線上，兩中心線之間的徑向距離為△h。如圖5（a）所示。

2、角度偏差

      兩孔或兩軸端面不平行，中心線的延長線互相交叉，交點(diǎn)落在主軸中心線上，兩中心線之間存在角度偏差△a。如圖5（b）所示。

3、角度和平行偏差結(jié)合

      兩孔或兩軸的端面不平行，且兩者中心線延長線的交點(diǎn)也不在主軸中心線上，此時(shí)兩者既有角度偏差也有平行偏移。如圖5（c）所示。

4、完全對(duì)中

      兩孔或兩軸同心且中心線重合，是理想的對(duì)中狀態(tài)。如圖5（d）所示。

      當(dāng)兩孔或兩軸出現(xiàn)以上幾種情況的偏差時(shí)，需要對(duì)軸系進(jìn)行對(duì)中調(diào)整，對(duì)于大型發(fā)電機(jī)組，一般通過調(diào)整機(jī)器支腳處墊片的厚度，使得△h和△a消失，達(dá)到完全對(duì)中。如圖6所示。

 

圖5  柴油發(fā)電機(jī)軸不對(duì)中情況示意圖

圖6  柴油發(fā)電機(jī)完全對(duì)中標(biāo)準(zhǔn)示意圖

 

三、軸與軸的對(duì)中方法

 

      大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)電機(jī)組軸線跨度很長，有些超過10 m，如柴油機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)中，這些設(shè)備的從動(dòng)軸和主動(dòng)軸在安裝維修對(duì)中操作時(shí)，由于跨度長，在對(duì)中操作和計(jì)算調(diào)整量的時(shí)候比較復(fù)雜，由于設(shè)備轉(zhuǎn)速高，對(duì)精度的要求也很高。軸對(duì)中一般有直尺、塞尺法，千分表法以及激光對(duì)中儀測量法。

1、直尺、塞尺法

（1）直尺法將直尺水平放置在聯(lián)軸器上，觀察兩軸線的平行偏移量，如圖7所示。

（2）塞尺法是用塞尺測量聯(lián)軸器四周的縫隙值是否相同，從而判斷兩軸線的角度偏差，而人眼的分辨率只能達(dá)到0.1mm。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測量方法比較簡單，但是精確度不高，只適用于對(duì)中精度要求不高的低轉(zhuǎn)速、小功率的機(jī)器，難以滿足大型發(fā)電機(jī)組的對(duì)中要求。

2、千分表法

      千分表法一般分為雙表法、三表法和單表法，測量工具安裝方法如圖8所示。

（1）雙表法

      雙表法由對(duì)中支架支撐兩塊千分表，分別置于聯(lián)軸器的外圓周及端面，測量時(shí)，分別在聯(lián)軸器端面0°，90°，180°，270°的4個(gè)固定位置做上標(biāo)記，兩軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，記錄兩塊千分表在4個(gè)固定位置的讀數(shù)，通過分析計(jì)算，就可以測量出從動(dòng)軸相對(duì)于主動(dòng)軸的平行偏移和角度偏差。測量原理如圖9所示。

（2）三表法

      三表法和雙表法類似，在雙表法的基礎(chǔ)上，在聯(lián)軸器的端面增加了一塊表測量角度偏差，兩塊表在測量位置上相差180°，測量方法同雙表法，測量聯(lián)軸器端面的兩表讀數(shù)相減就可以消除軸向竄動(dòng)帶來的測量誤差。測量原理如圖10所示。

（3）單表法

      單表法只需要使用一塊千分表分別交替安裝在聯(lián)軸器兩側(cè)的外圓周上，兩軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)或者分別轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄間隔90°的4個(gè)固定位置時(shí)千分表的讀數(shù)，通過計(jì)算或作圖分析，得出平行和角度偏差量，確定調(diào)整方案。測量原理如圖11所示。

      雙表法受軸向竄動(dòng)的影響較大，精度不高，適用于軸向竄動(dòng)比較小的設(shè)備。三表法的精度很高，但是操作和計(jì)算方法比較復(fù)雜，在對(duì)中要求較高的精密設(shè)備和高速旋轉(zhuǎn)的大型發(fā)電機(jī)組中常用，單表法在操作和計(jì)算上比三表法要簡單一些，又能達(dá)到比較好的精度，應(yīng)用場合更廣泛一些。但是千分表法對(duì)操作人員的要求非常高，需要專業(yè)的技術(shù)人員才能完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，通常需要反復(fù)測量才能得到滿意的結(jié)果，而且千分表法要求軸系要轉(zhuǎn)動(dòng)360°，記錄每隔90°的4個(gè)位置上的千分表讀數(shù)，對(duì)于一些兩軸無法同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)大型軸系，無法完成測量。

3、激光對(duì)中法

      激光對(duì)中儀主要由激光發(fā)射裝置、激光接收裝置、控制顯示設(shè)備以及各種支架連接設(shè)備組成，如圖12所示。

      將發(fā)射裝置以及接收裝置分別用磁力座或鏈條安裝在從動(dòng)軸和主動(dòng)軸上，由發(fā)射裝置發(fā)射出一束準(zhǔn)直激光射入接收裝置上的位置敏感探測器(PSD)上，激光打到PSD的不同位置會(huì)輸出不同的電流，兩軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，檢測激光在PSD上的位置變化，操作完成后，通過內(nèi)置程序計(jì)算，在短時(shí)間內(nèi)便可得出平行偏差和角度偏差。

      并在顯示屏上以圖像及數(shù)字的形式顯示出對(duì)中結(jié)果，對(duì)中是否理想以及如何進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于不能轉(zhuǎn)動(dòng)一周的軸，最少需要轉(zhuǎn)動(dòng)60°，便可以進(jìn)行對(duì)中測試，由于激光對(duì)中儀內(nèi)置傾角測量裝置，所以對(duì)角度和測量點(diǎn)沒有嚴(yán)格的要求，在任意角度測量6個(gè)以上的點(diǎn)即可，測量點(diǎn)數(shù)越多，覆蓋角度越廣，測量的準(zhǔn)確度越高。激光對(duì)中的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)中精度高，可達(dá)到0.001 mm，由于激光具有準(zhǔn)直性，不受重力影響，測量距離可達(dá)到10 m以上。

 

圖7  直尺塞尺法測量對(duì)中原理	圖8  柴油機(jī)對(duì)中千分表安裝	圖9  雙表法測量對(duì)中原理
圖10  三表法測量對(duì)中原理	圖11  單表法測量對(duì)中原理	圖12  激光對(duì)中儀測量原理

 

總結(jié)：

      很多康明斯主機(jī)廠還在使用以往的直觀法來對(duì)柴油發(fā)電機(jī)校準(zhǔn)，這種方法通過肉眼觀察來對(duì)準(zhǔn)軸線。使用直尺、線或激光指示器等工具，觀察軸承或機(jī)器部件之間的對(duì)齊情況。盡管這種方法可能相對(duì)簡單，但精度較低，容易受到主觀因素的影響。因此，康明斯公司推薦主機(jī)廠改用激光對(duì)正法為妥，激光對(duì)中儀器通常被認(rèn)為是最精確和相對(duì)快速的軸對(duì)中方法。它提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，允許操作者直接進(jìn)行微小調(diào)整，以便使軸線精確對(duì)準(zhǔn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于高精度、快速且減少了人為誤差的可能性。

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