范安全，鄧 蕾

(上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海200233)

轉(zhuǎn)動設(shè)備主軸對中的含義就是把要聯(lián)結(jié)的兩臺或多臺設(shè)備的主軸位置在聯(lián)軸器的傳力位置調(diào)整到能保證在正常運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)動軸線處于同軸狀態(tài)的工藝過程[1]。國外研究表明機(jī)械設(shè)備的提前損壞中50%～70%與主軸對中不良有關(guān)[2]。在工程實(shí)踐中，軸系的同軸度偏差一般分解為同心度偏差、平行度偏差。工程中多以兩種偏差同時存在的組合偏差方式存在，為了便于工程測量和設(shè)備調(diào)整，主軸對中組合偏差一般分解成垂直同心度偏差、垂直平行度偏差、水平同心度偏差和水平平行度偏差四個分量。

核電廠主要的離心泵，如核島的補(bǔ)水泵、給水泵、設(shè)備冷卻水泵等,以及常規(guī)島的汽輪機(jī)組、電動給水泵、凝結(jié)水泵等轉(zhuǎn)動設(shè)備，在其安裝和運(yùn)行檢修期間均需進(jìn)行主軸對中檢查及調(diào)整，是其重點(diǎn)和難點(diǎn)工作之一，其安裝精度和施工進(jìn)度對核電站的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義[14]。

但從本人參與的施工項目經(jīng)驗以及調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)動設(shè)備，比如主回路補(bǔ)水泵的現(xiàn)場主軸對中工作中的對中方法及工具選擇、誤差控制技巧、人員技能培訓(xùn)、對中檢測時機(jī)等方面還存在不太規(guī)范的地方，因此有必要對主軸對中技術(shù)進(jìn)行總結(jié)、分析，以便幫助提高核電站站轉(zhuǎn)動設(shè)備主軸對中知識和技能。

1 百分表對中法的主要誤差和缺點(diǎn)

1.1 百分表測量法表架撓度誤差影響

通常采用直尺塞尺法、百分表法、激光對中儀法來測量轉(zhuǎn)動設(shè)備主軸對中狀態(tài)[1]。直尺塞尺法測量精度較低,通常僅用于初對中階段;而激光對中儀精度高但價格昂貴,需要進(jìn)行定期專業(yè)檢定,維護(hù)成本高,對使用人員的安裝和測量技巧要求也較高,對使用環(huán)境的清潔度和溫度等要求也較高，還處于國內(nèi)推廣階段，未得到廣泛普及；百分表對中法因為工具簡單、價格便宜、數(shù)據(jù)采集直觀易于操作、對施工環(huán)境要求較低、適用性極強(qiáng)、因而應(yīng)用廣泛，但百分表對中法的主要誤差因素有表架撓度、軸竄、人為讀數(shù)偏差、百分表精度、安裝偏差等[3],將不同程度地影響主軸對中精度；其中表架撓度是最容易被忽略、對測量精度影響最大的誤差來源。消除或減小百分表對中工具的誤差影響是百分表對中法中非常關(guān)鍵的步驟。

其中表架撓度是支撐百分表的表架及其加長桿組件以及百分表自身的重力，使表架產(chǎn)生向下彎曲的彈性變形，通常在臥式轉(zhuǎn)動設(shè)備的主軸對中測量時，由于百分表表針滑動方向隨轉(zhuǎn)動方向而變化,不完全與重力方向一致,撓度在不同位置上對百分表讀數(shù)的影響是變化的，所以，在數(shù)據(jù)采集后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中，如果不設(shè)法加以消除或補(bǔ)償，將嚴(yán)重影響測量值的準(zhǔn)確性。相對于轉(zhuǎn)動設(shè)備的對中公差，有時撓度會是垂直方向上的實(shí)際對中偏差的幾倍到十幾倍[4]，嚴(yán)重影響對中測量和調(diào)整精度?，F(xiàn)在工程上使用的百分表對中表架各式各樣,但都存在表架撓度值并對百分表測量法的準(zhǔn)確測量存在直接的精度影響。

因此，安裝百分表表架和加長桿應(yīng)注意減少甚至消除表架撓度的影響。由于表架在百分表固定處的水平和垂直方向上都可能存在撓度，其結(jié)果對同心度和平行度測量數(shù)值均有影響[4]。但對于通常的表架結(jié)構(gòu)及百分表安裝位置，由于表針是處于水平位置，與表架的撓度方向相垂直,表架撓度對平行度讀數(shù)的影響非常小，在工程上可以忽略不計。或者采用塞尺、外徑千分尺寸等工具直接測量軸向偏差，這兩種方法可完全規(guī)避表架撓度對平行度測量數(shù)據(jù)的影響。所以減少或消除表架撓度對平行度測量數(shù)據(jù)也是采用四表對中法的重要先決條件,在工程實(shí)際測量應(yīng)用中,僅考慮消除撓度對同心度測量的影響即可。

轉(zhuǎn)動設(shè)備的主軸對中方法的選用，不同公司或個人有各自的偏好和特點(diǎn)，但主要還是采用磁力表架或自制表架固定百分表的三表對中法，其他也有采用單表法、四點(diǎn)法(汽輪機(jī)軸系采用，其基本原理與三表法相同)，都不同程度地存在忽略表架撓度的測量和消除這一關(guān)鍵步驟，從而大大降低測量精度的負(fù)面影響問題。因此，迫切需要尋求一種快捷簡便、價格低廉、能夠消除表架撓度誤差的對中測量方法。

1.2 對中偏差的測量和驗收位置

在工程施工以及設(shè)備運(yùn)行中，主軸對中偏差往往是以組合偏差的方式存在，在不同點(diǎn)的同心度測量數(shù)值可能不同，即兩軸線間的同心度偏差值大小與測量位置直接相關(guān)，所以在測量以及計算時，必須強(qiáng)調(diào)同心度偏差的測量位置和驗收點(diǎn)，只有確定統(tǒng)一的驗收點(diǎn)，才具有統(tǒng)一性和可重復(fù)性。現(xiàn)在國外通行的同心度偏差驗收點(diǎn)是指聯(lián)軸器中心點(diǎn)位置。而國內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均無明確嚴(yán)格地規(guī)定同心度偏差值的測量位置，比如國內(nèi)通常可以根據(jù)采用的對中方法、對中工具、操作人員的習(xí)慣和偏好,自由選擇聯(lián)軸器的任一側(cè)輪轂上的某測點(diǎn)或其他位置，具有很大的隨意性。

如圖1所示,由于測點(diǎn)的不同，同心度偏差值的表達(dá)是不同的，在左側(cè)輪轂處為0 mm，右側(cè)輪轂處為0.10 mm，聯(lián)軸器中心點(diǎn)處則為0.05 mm，所以必須正確指明測量的軸向位置，同心度數(shù)值才有實(shí)際意義，比較科學(xué)和容易被接受的驗收點(diǎn)就是聯(lián)軸器中點(diǎn)[5]或是聯(lián)軸器兩側(cè)的撓性傳動點(diǎn)[1]，這對帶中間節(jié)的聯(lián)軸器對中時特別重要。

圖1 同心度測量點(diǎn)示意圖Fig.1 Measurement point of centerline offset

1.3 解決思路

由于百分表表架撓度因其結(jié)構(gòu)和尺寸不同而各不相同，對每種情況均進(jìn)行測量或計算，非常煩瑣,因此，針對不同的應(yīng)用場合，要精確測量非常困難、煩瑣，馬國明等人均對百分表測量法的撓度進(jìn)行了闡述和研究，提出了一些測量或消除撓度的不良影響的方法，但均存在計算復(fù)雜、分析不全面不完整，等瑕疵[6-13]，影響了其應(yīng)用和推廣范圍。

本文針對百分表對中法，提出一種新的測量方法—四表對中法，可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中不測量撓度值及其消除流程，而能夠巧妙地消除撓度對測量精度的影響，達(dá)到精確對中的目的。

百分表四表對中法實(shí)質(zhì)上是同時利用軸向—徑向法(一點(diǎn)法)和雙徑向法(兩點(diǎn)法)原理，它創(chuàng)造性地巧妙結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)，用在相對于聯(lián)軸器中點(diǎn)對稱的兩個測量點(diǎn)讀取同心度和平行度偏差,最終反映主軸在聯(lián)軸器中點(diǎn)處的同心度和平行度偏差狀態(tài)。規(guī)避了消除撓度引起的測量系統(tǒng)誤差所需的大量繁瑣測量和計算工作，提高測量精度和主軸對中的質(zhì)量。

2 百分表四表對中法

2.1 表架結(jié)構(gòu)和安裝要求

如圖2所示，按百分表四表對中打表，需設(shè)置兩個結(jié)構(gòu)相同的表架，且每個表架分別配置測量同心度和平行度偏差的兩塊表，其中一塊軸向安裝的百分表用于測量軸系的平行度偏差。注意軸向百分表的表架應(yīng)盡量避免有與軸線垂直的細(xì)桿結(jié)構(gòu)，并整體具有對稱性和較好的剛度，而另外一塊百分表用于測量同心度偏差。其中一塊表架固定在基準(zhǔn)設(shè)備上，向可調(diào)設(shè)備打表，另一個結(jié)構(gòu)相同的表架反向并相差180°架設(shè)在可調(diào)設(shè)備上，向基準(zhǔn)設(shè)備打表。

需要注意的是，測量同心度時的表架設(shè)置應(yīng)保證百分表測點(diǎn)相對于聯(lián)軸器中點(diǎn)對稱；同時為了消除測量位置的圓度、偏心等制造、裝配偏差，以及測量過程中消除軸竄動的影響，測量平行度偏差測量平行偏差時時必須同時相對于軸心對稱使用兩塊百分表，并保證在測量時同步轉(zhuǎn)動雙軸。

這樣，同步轉(zhuǎn)動雙軸，從可調(diào)設(shè)備后側(cè)向基準(zhǔn)設(shè)備方向觀察，以頂點(diǎn)為0°，依次順時針方向在90°、180°、270°方向(即上、右、下、左方向)的軸向百分表讀數(shù)分別為a1、a2、a3、a4，b3、b4、b1、b2；徑向百分表讀數(shù)分別為c1、c2、c3、c4，d3、d4、d1、d2。應(yīng)盡量進(jìn)行多次測量，確保數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

圖2 百分表四表對中法示意圖Fig.2 Reverse rim and face method for shaft alignment measurement

為了增強(qiáng)此方法的適用性，也可采用單表法的表架先后交叉測量。得到對稱的兩端測量點(diǎn)的同心度偏差，并采用兩百分表或者內(nèi)徑千分尺同時、對稱測量，得到平行度偏差。

2.2 分析和計算

令徑向百分表架在0°～180°(即垂直方向上)的撓度為δ，垂直方向上平行度偏差為αy，同心度偏差為ey，基準(zhǔn)設(shè)備側(cè)為e1y，可調(diào)設(shè)備側(cè)為e2y)。

圖3中L0為相對于聯(lián)軸器中點(diǎn)對稱的兩測點(diǎn)的間距，O1和O2為基準(zhǔn)設(shè)備和可調(diào)設(shè)備軸心，F(xiàn)點(diǎn)為聯(lián)軸器中點(diǎn)，O1A和O2B分別為徑向百分表測出的同心度偏差，E點(diǎn)為AB連線的中點(diǎn)，過E點(diǎn)作水平線段d0，端點(diǎn)為G,由點(diǎn)G作垂線段GH，GH對應(yīng)的角度θ的方向與主軸的傾斜方向一致,GH長度為軸向百分表在0°與180°的上方平行度偏差αy，然后連接EH并延長與垂線O1A和O2B相交于C、D兩點(diǎn)，O1C和O2D分別為兩軸線在聯(lián)軸器對稱測點(diǎn)處的真實(shí)同心度偏差e1y和e2y。AC和BD數(shù)值相等，為表架在垂直方向(0°到180°)的表架撓度值的一半。

根據(jù)已有的三表測量法,可知聯(lián)軸器平行度偏差ay的計算公式如下:

αy=[(a3+b1)-(a1+b3)]/2

(1)

同時,

從以上等式可以看出，徑向百分表的讀數(shù)包含了同心度真實(shí)偏差和撓度誤差，因此應(yīng)設(shè)法消除撓度誤差的影響，從而確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

聯(lián)軸器中點(diǎn)的同心度偏差:

即

ey=[(c3+d3)-(c1+d1)]/4

(2)

在垂直方向上，由于c1和d1常初設(shè)為0，所以上式通?？梢院喕癁椋?/p>

ey=(c3+d3)/4

(3)

同理，對于水平方向的ex:

(4)

從上述分析可以看出，聯(lián)軸器中點(diǎn)的同心度偏差值等于相對于中點(diǎn)對稱的兩測量點(diǎn)的實(shí)際百分表徑向測量偏差的幾何平均值，撓度的數(shù)值通過公式運(yùn)算可互相抵消，巧妙地規(guī)避了撓度對測量精度的嚴(yán)重不良影響，對中測量中不再需要為消除撓度影響而進(jìn)行的繁瑣測量和計算。這也是本方法的最大優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新。

因此，同心度偏差計算如表1所示。

表1 同心度偏差計算

平行度偏差值計算如表2。

表2 平行度偏差計算

在確定對中實(shí)際偏差,以及計算調(diào)整量時,并不需要撓度值δ,但根據(jù)同心度和平行度測量數(shù)據(jù)的幾何關(guān)系，也可以求出同心度測量表架的撓度值δ,供數(shù)據(jù)分析時參考使用:

(5)

同時，根據(jù)不同操作人員的工作習(xí)慣、或者某些供貨商技術(shù)要求，當(dāng)同心度的驗收點(diǎn)明確為撓性聯(lián)軸節(jié)的兩端撓性傳力點(diǎn)等位置時，也可以根據(jù)上述測量方法和計算進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到所需的偏差數(shù)據(jù)。

2.3 支腿調(diào)整量的計算

通過四表對中法，準(zhǔn)確地測量出了兩軸線間的同軸度偏差，如果超過公差要求，就應(yīng)通過調(diào)整可調(diào)設(shè)備的支腿的垂直方向以及水平方向的位置，來減少或消除偏差，達(dá)到公差要求。調(diào)整量的計算和尺寸關(guān)系如圖4所示。

圖4 四表對中法的支腿調(diào)整示意圖Fig.4 The sketch of support movement calculated in reverse rim & face method

圖4中ey——聯(lián)軸器中心點(diǎn)的同心度偏差；L1——聯(lián)軸器中心點(diǎn)到前支腿間距；L2——聯(lián)軸器中心點(diǎn)到后支腿間距；H1——前支腿處的調(diào)整量，正數(shù)表示需要降低高度，即需要減少墊片厚度，負(fù)值表示需要增加墊片厚度；H2——后支腿處的調(diào)整量。

則：

H1=ey-L1×αy/d0

(6)

H2=ey-L2×αy/d0

(7)

水平方向的計算方法類似。

還可以采用EXCEL的自動計算和圖表功能,按照要求輸入測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),即可自動計算支腿調(diào)整量、判斷偏差是否合格，以及對中圖表，大大提高調(diào)整量的計算準(zhǔn)確度和對中報告的質(zhì)量。

2.4 應(yīng)用實(shí)例分析

某核電廠電動輔助給水泵，同心度的兩測量點(diǎn)間距L0=300 mm,平行度偏差測點(diǎn)的回轉(zhuǎn)直徑d0=200 mm,在垂直方向上測得的平行度偏差為-0.04 mm,可調(diào)設(shè)備向基準(zhǔn)設(shè)備側(cè)輪轂環(huán)面打表測得同心度偏差為e1=0.03 mm,基準(zhǔn)設(shè)備向可調(diào)設(shè)備側(cè)輪轂環(huán)面打表測得同心度偏差為e2=-0.25 mm,驗收公差為同心度0.05 mm,平行度偏差0.2/1 000。

如果按照d0=200 mm,測得的平行度偏差為-0.04 mm (角度=0.2/1 000),可調(diào)設(shè)備向基準(zhǔn)設(shè)備側(cè)打表測得同心度偏差為0.03 mm來驗收,完全合格，但結(jié)合基準(zhǔn)設(shè)備向可調(diào)設(shè)備側(cè)打表測得同心度偏差為-0.25 mm,以及中心點(diǎn)的偏差0.14 mm,完全超差,考慮撓度修正后的數(shù)據(jù)，e1=0.125 mm,e2=-0.155 mm。也全部超標(biāo)，按照本文的方法分析和測量，需要整體降低可調(diào)設(shè)備，才能滿足公差要求。

經(jīng)過本方法測量及調(diào)整后，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、狀態(tài)良好。

3 結(jié)論

百分表四表對中法結(jié)合了更為合理的聯(lián)軸器中點(diǎn)作為同心度偏差驗收點(diǎn)，同時巧妙地消除了撓度的測量及其對測量精度的影響，通過兩者創(chuàng)造型地巧妙結(jié)合，可以精確測量軸系的真實(shí)對中狀態(tài)，解決傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動設(shè)備主軸百分表對中法中系統(tǒng)誤差較大的問題，同時百分表四表對中法的工具成本低廉、制作簡單，操作方便、可廣泛應(yīng)用到日常的各行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，大大提高轉(zhuǎn)動設(shè)備對中精度和安裝質(zhì)量，極具推廣價值。