如何使用激光对中实现竖井垂直度

传统上，垂直水轮机/发电机轴的垂直度测量涉及沿轴的长度串起一系列电线，将重物连接到电线的末端，然后使用电子千分尺测量从电线到轴的空间.尽管这种方法成本低廉且已使用多年，但它确实需要接触很长的轴才能获得准确的分辨率。此外，测量涉及在轴的不同高度处物理测量线与轴之间的距离，增加了测量的时间和人员需求。

Ludeca Inc. 展示了其在基于激光的系统方面的经验，该系统取代了耗时的线材方法。与使用导线测量方法相比，现在可以在很短的时间内完成测量。 Ludeca 的测量系统，称为 PERMAPLUMB，使用自调节机械镜，始终垂直于地面，将 1 类激光束反射到检测器中。它只需要沿轴有 14 英寸的轴向空间。反射镜和换能器通过一个支架连接，该支架在涡轮轴上使用磁铁。从一次 270 度的轴旋转，系统计算和显示角度和校正移动，并提供数据的统计质量测量。 “移动”功能允许在进行更正时对其进行监控。分辨率优于每英尺 0.00002 英寸，比 NEMA 要求的更准确。由于系统对振动不敏感，因此相邻的涡轮机也可以继续运行。

简介
垂直度是旋转中心线与重力的关系。它可以被认为是中心线的垂直度。在实践中，垂直液压轴测量实际上是在测量“不垂直度”，因为量化的因素是与完全垂直的差异，如图

图 1. 轴旋转中心线与铅垂线的关系

垂直度表示为角度。由于角度很小，角度斜率或变化率是比度或弧度更合适的表达形式。与垂直液压轴相关的此参数最常见的表达单位是每英尺千分之一英寸或每英寸千分之一英寸。垂直度是在两个平面上测量的。如果从轴上往下看，两个测量平面将是 0 到 180 度平面和 90 到 270 度平面。

在垂直液压轴应用中实现垂直度对于正常运行至关重要。精密垂直度有助于降低轴承温度、减少轴运动、减少振动并提高效率。从调度的角度来看，在最短的时间内准确地实现这一目标对于节省资金至关重要。

测量垂直度
在测量垂直度时，存在多种方法，包括使用紧线、激光和光学。紧丝是最常用的方法，也是最便宜的方法。

四根紧线沿垂直液压轴的长度垂直串起。通常，使用直径为 0.020 到 0.030 英寸的非磁性不锈钢品种。为确保千分尺所需的最小范围，导线放置在距轴大约等距的位置。每根电线围绕液压轴彼此以 90 度的间隔隔开。 20 到 30 磅的翅片重量悬挂在每根电线的末端，并浸入油浴中，以帮助抑制电线中的运动和振动。

电动千分尺测量液压轴和电线之间的距离。电线和液压轴以这样的方式相互电连接，以便在千分尺接触时完成电路。反过来，这会激活电子听觉音调，让用户知道何时停止推进千分尺。在沿轴的点处读取读数以确定紧线和液压轴之间的相对位置，如图 2 所示。

图 2. 钢丝垂直度测量概念

紧线方法的优势在于成本低且设置相当直观。然而，在测量过程中，“关注细节”对于减少测量过程中的误差至关重要。

确保在测量过程中几乎不存在振动是很重要的。测量过程中紧线的干扰会影响读数的准确性。在某些情况下，在执行测量过程时，相邻的水电单元会保持运行。如果为了测量过程而被迫关闭机组，将导致这些涡轮机运行的收入损失。此外，当在测量附近执行其他项目时，尤其是在维修或大修期间，电线受到物理干扰的可能性会增加。

技术人员必须注意测量的一致性和准确性。假设被测量的表面是高质量的，并且它代表了轴或联轴器的同心度。轴不圆度、凹坑、锈蚀或污垢会影响读数的准确性。千分尺读数的变化因人而异，具体取决于他们何时停止推进千分尺接触紧线。

当测量更大的轴向长度时，紧线读数的准确性会增加。这意味着将紧线串到可以达到的最长距离是可取的。这也意味着更多的轴专用于测量程序。因此，千分尺操作员必须在轴的长度上下移动更远的距离到达测量点，或者必须使用额外的操作员。读取数据后，操作人员或评估数据的负责人需要准确记录数据。

很明显，紧密线测量涉及许多因素，这些因素会严格地从测量过程中引入误差，并延长进行测量所需的时间和空间量。为了提高生产率，必须减少测量过程中的人为因素，减少轴上需要测量的面积，并减少获取测量值和执行校正所需的时间。

基于激光的垂直度测量方法
PERMAPLUMB 系统是一种基于激光的垂直度测量工具。它通过使用激光和计算机进行数据采集，从测量过程中去除人为因素，从而规避了紧线法的许多局限性。这有助于确保测量的准确性不依赖于用户。此外，PERMAPLUMB 系统提供的测量分辨率比用密丝/千分尺方法获得的分辨率高一个数量级。该系统还可以轻松设置并根据需要快速提供校准读数，从而减少专门用于测量过程的时间。

该系统由安装在仅 14 英寸长的紧凑型磁性支架上的激光器和镜子组成，如图 3 所示。

图 3. PERMAPLUMB 和 14 英寸支架

激光换能器安装在支架上，如图4所示。

图 4. 安装在 Permaplumb 支架上的激光传感器

光束从支架底部的自调平镜反射回位于激光换能器内部的 1 微米分辨率检测器。镜子的两轴枢轴点确保镜子表面始终与地平线保持相对垂直，如图5所示。

图 5. 自调节镜组件

垂直度的测量方法如下：通过其集成的磁脚将系统简单地连接到垂直轴并将轴旋转到四个相距 90 度的位置，如图 6 所示。在每个位置进行测量90 度的位置。进行最后一次测量后，可通过计算机显示垂直度结果。校正垂直度通常通过以下两种方式之一完成：轴向移动（垫片）推力轴承或平移（水平移动）推力轴承。 PERMAPLUMB 将为您提供校正值和实时“移动”功能，用于实时监控这两种方法之一（或两者）的校正。

图 6. 将 PERMAPLUMB 连接到液压轴

使用 PERMAPLUMB 进行垂直液压轴对中
PERMAPLUMB 系统可以很容易地集成到需要垂直轴垂直度测量的程序中。由于轴将旋转，因此必须考虑确保旋转过程中没有障碍物或干扰的因素。这包括退回任何可调节的轴承瓦，以便轴可以在没有任何摩擦的情况下旋转。

在测量过程之前，应始终执行标准检查和安全程序。此类检查包括确保轴中不存在“狗腿”或跳动。千分表或接近探头可以安装在沿轴的不同位置，以快速确定是否存在此类问题，以及是否需要在垂直度测量和校正之前和/或之后解决这些问题。接近式探头实现了高精度，并且比千分表更不容易受到轴表面光洁度不准确的影响。轴转一圈即可获取数据，从而加快“狗腿”和跳动问题的纠正和检测过程。

需要确保推力轴承的所有轴瓦的载荷相等。根据所使用的推力轴承的类型，存在各种程序。方法范围从“slugged arc”方法到将称重传感器集成到可调节鞋中的更先进、更省时的方法。在大多数情况下，为轴铺设管道和平衡负载将在修正之间齐头并进。

测量首先将 PERMAPLUMB 系统安装到沿液压轴长度的任何区域。最容易进入的区域通常是涡轮机上方的甲板，如图 7 所示。

图 7. 安装在液压轴上的 PERMAPLUMB 系统

然后将系统连接到笔记本电脑和电源。

尺寸和参数输入到 WinPLUMB 软件包中。这些尺寸包括用于对推力轴承进行修正的推力轴承数据、用于监控上下导向轴承处轴位置的平移数据，以及帮助确定轴何时按公差测量的公差，如图 8 所示。

图 8. 在 WinPLUMB 软件中输入尺寸、公差和目标

输入尺寸后，就可以进行测量了。首先打开高压润滑系统，并将安装在轴上的 PERMAPLUMB 系统旋转到指定的“0”度位置。然后停用高压润滑系统，让轴稳定下来。这是将进行第一个测量点的位置。然后重新启动高压润滑系统，并在轴旋转 270 度以上的接下来三个点重复该过程。

获得的结果（参见图 9）将显示以密耳每英寸为单位的垂直度结果。将每英尺 0.25 密耳的 NEMA 容差（作为每英寸 0.0208 密耳）输入到容差函数中，以便系统可以指示是否达到了容差。测量分辨率优于每英尺0.00002英寸，远优于NEMA要求的公差。

图 9. 结果屏幕

如果需要对推力轴承垫进行修正，PERMAPLUMB 会提供每个垫应向上（或向下）移动以达到公差的量，如图 10 所示。软件中的一个特殊功能还允许“向上和向下”，从而在不改变轴高度的情况下，对加减垫高进行优化修正，以实现垂直度。

图 10. 每只鞋的推力轴承修正

对垫进行修正，并重新测量轴以验证垂直度。如果需要，可以“实时”测量整个过程。一种特殊的“实时移动”模式被激活，以在进行修正时不断更新液压轴的垂直度条件，如图 11 所示。这不仅更新实际垂直度值，而且持续更新预测的推力轴承垫修正值以及上下导向轴承的轴位置变化。在推力轴承本身可能需要平移的情况下，能够持续监测垂直度。

“实时移动”模式对于确保在移动过程中不受干扰地进行校正特别有用。如果轴接触导向轴承或在重新定位过程中受到阻碍，这将在这种模式下变得明显。

图 11.“实时移动”模式

在测量过程中确保测量精度至关重要。需要依赖收集的数据来执行更正和验证结果。在数据采集过程中，每个测量点可以采集每秒 32 个读数的样本。用户可以选择每个测量点要收集多少秒的数据，最多 204 秒。当振动可能成为测量过程中的一个问题时，这非常有用，这通常是在测量过程中相邻涡轮机运行时的情况。

“标准偏差”显示确保所选的测量持续时间创建稳定的数据以克服振动问题。这有助于找到数据收集所需的最佳时间以创建稳定的测量，同时将测量时间减少到尽可能短。

测量精度也通过旋转到四个点来确保。一种称为“圆形完成”的特殊功能可确保液压轴绕轴线旋转且零干扰。它确保四个点的读数遵循零度和 180 度读数之和等于 90 度和 270 度读数之和的等式。如果在测量过程中违反了该等式，则会导致循环完成错误，显示这种违反发生的程度。原始检测器数据中的值为 0.2 或更小将被认为是良好的读数。此功能指示测量过程中是否发生轴干涉问题

作为标准的测量过程，测量的可重复性是必不可少的。 PERMAPLUMB 具有可重复性功能，可以将以前的测量结果与当前的测量结果进行比较。可重复测量确保“所见即所得。”

PERMAPLUMB 的重复性检查也可用于验证轴的刚度。无论系统安装在液压轴的哪个位置，完美刚性的轴都会与 PERMAPLUMB 产生相同的垂直度读数。可检测由实体联轴器连接的两轴之间的刚性。

接下来，我们将描述这是如何完成的：在联轴器下方至少测量两次垂直度，以建立可重复性。然后在联轴器上方测量垂直度，再次测量两次以确保可重复性。然后将联轴器上方和下方的测量结果进行比较以确定刚度。任何大于 0.004 密耳/英寸的结果差异都将被视为缺乏刚性。

结论
在最短的时间内以高精度进行垂直度测量的能力在短期内可以节省更多时间，从长期来看可以提高使用寿命和效率。快速设置、可靠性、抗振性、准确性和节省时间都是使 PERMAPLUMB 系统成为垂直度测量的理想选择的所有因素。

关于作者
Daus Studenberg 是佛罗里达州迈阿密 Ludeca Inc. 的应用工程师。他拥有佛罗里达大学的机械工程学士学位。他在 Ludeca 的职责包括现场服务、技术支持、培训和产品开发。关于本文的问题可以发送至 [email protected]。

有关 PERMAPLUMB 系统的更多信息，请访问：

http://www.ludeca.com/prod_permaplumb.php

http://www.ludeca.com/prod_winplumb.php