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激光對中儀技術對離心式壓縮機找中心的應用
離心式壓縮機是典型的高速旋轉機械。整個機組的轉子系統通常由幾組膜片聯軸器將原動機、液力耦合器、增速機及壓縮機串聯而成。這種轉子—軸承—聯軸器系統在實際工程中不對中狀態是非常普遍的。美國MONSANTO化工公司在5年的振動實踐中發現，軸系故障60%源于轉子不對中[1]。由于轉子不對中的存在，引起離心壓縮機組運轉過程中的振動和噪聲，同時造成聯軸器偏轉，導致膜片環扭曲開裂，緊固螺栓松動斷裂，使軸承磨損、油膜失穩及轉軸撓曲變形等不利于機組運行的動態效應[2]。
激光對中技術是近年來將激光、光敏傳感器與計算機輔助測試相結合的高技術產物[3]，具有、穩定、方便、快捷等特點[4]。由于激光準直性好、精度高，使其在測量領域的應用前景極為廣泛。
本文分析了傳統聯軸器找正工裝對中能力的不足，研究了激光對中原理，并使用激光對中儀實現了BCL408型離心壓縮機軸系的安裝找正，取得了良好的效果。
2 傳統的離心式壓縮機組找正技術
在轉子動力學研究中指出，不對中對轉子產生的激勵力幅隨轉速的升高而加大，是隨轉速加大的不平衡激勵力的4倍[5]。因此，像離心式壓縮機這類高速旋轉機械尤其要注重對轉子的對中要求。
2.1 不對中找正原理
離心式壓縮機轉子系統的不對中狀態包括軸承不對中和聯軸器不對中兩種。而聯軸器不對中又可分為：（a）平行不對中；（b）偏角不對中；（c）平行偏角不對中，如圖1所示。實際工程中多為平行偏角不對中。
（a） （b） （c）
圖1 聯軸器不對中的3種形式
試車前，離心式壓縮機要進行聯軸器的安裝找正，將主、從動軸軸線的平行偏差和角度偏差調整到允許范圍內。
圖2所示為傳統的聯軸器找正工裝。件6、件7的長度和位置可根據聯軸器的長短、大小來分別進行軸向、徑向調節。測量時，盤動兩軸旋轉一周，讀出千分表讀數。
1. 軸向千分尺 2.徑向千分尺 3.支架 4.連接盤
5.半聯軸器 6.彎表架 7.直表架
圖2 聯軸器找正工裝
根據幾何關系容易算出，平行偏差為徑向表讀數變化量的一半，角度偏差由下式求得。
2.2 傳統找正方法的不足
受角度偏差的影響，徑向表2在測量過程中測點沿軸向移動；同樣，受平行偏差的影響，軸向表1測點沿徑向移動，產生測點誤差。
千分表測桿每傾斜10°，測量誤差就會增加2%，由于平行、角度偏差的影響，千分表測桿與半聯軸器被測表面存在垂直度偏差，會產生測量誤差。且千分表的分辨率為0.01mm，精度較低無法實現精密測量。
為消除轉子軸向竄動對角度偏差測量值影響，采用了180°布置的兩塊軸向表，但工裝加重，表架撓度加大。長距離測量時，工裝本身的撓度影響較大，必須事先計算出撓度值，以補償徑向測量值。
由于兩回轉軸呈空間交叉狀態，測量值僅能反映兩半聯軸器的位置關系，無法給出可調端軸線相對于基準軸線的調整值。另外，可調端軸線與其本身的地腳支點也呈空間布局，很難確定地腳支點的調整量和調整方向。找正過程對操作者的技術水平要求較高。
此聯軸器找正工裝雖已實現系列化設計，但測量距離仍有一定的范圍限制，且新產品找正前需加工對應的連接盤4。
由以上分析可知，傳統的離心式壓縮機找正過程，計算復雜，步驟繁瑣，需反復測量逐步逼近，找正周期長。而且由于測量誤差的存在，無法全面反映聯軸器的對中誤差，也不能正確判斷聯軸器實際的對中狀態，找正誤差大。工裝的設計、制造以及現場找正，要求大量投入人力與物力，找正成本高。
3 激光對中技術
3.1 激光對中儀的結構
激光對中儀的組成主要有以下6部分：兩個激光發射器LD、兩個光電接收器PSD（目標靶）、兩個內置電子傾角計、A/D轉換電路、顯示單元、各種夾具和工具。其中兩組LD、PSD、傾角計分別封裝在固定在基準軸上的測量單元S和固定在調整軸上的測量單元M內。所有組件可裝于一個手提箱內，結構簡單，攜帶方便。
3.2 激光對中的測量原理
圖3 逆向百分表法與激光對中法
激光對中儀的測量原理與逆向百分表原理相同，如圖3所示。逆向百分表法是由一塊表的讀數計算平行偏差，兩塊表讀數的差值計算角度偏差。激光對中法中S單元與M單元替代百分表分別固定在聯軸器的兩邊，在任意兩個間隔大于20°的3個位置上記錄測量值。顯示單元自動計算出平行偏差和角度偏差。并基于基本的三角幾何原理，自動給出可調設備前腳和后腳的調整值和墊平值。測量過程簡單、快捷，測量結果與操作者無關。
3.3 激光束能量中心不變分析
LD產生的激光束打在PSD感應面上，形成光斑S。由于LD發射的光束各點的照射強度不可能一致，因此照射區域S內各點的能量也不盡相同。設 為區域內任意一點的能量強度，根據重心公式，得到能量重心O點的坐標：
, （1）
此能量中心點即PSD計算的坐標點。
當調整軸轉動，照射區域隨兩測量單元相互位置的變化而變化，能量中心點產生位移，坐標點位置發生改變。
下面需要證明當激光對中儀的感應面距離變化不大，傾角發生變化后，能量中心是不動點。
圖4 能量中心不變原理
圖4所示為PSD感應面照射傾角變化 時，感應面上激光照射區域S前后的變化。O為變化前感應面上的能量中心點，X為感應面上經過O點垂直于兩感應面交線的軸線。S′、O′、X′分別為S、O、X在變化后感應面上的投影。
圖中看出，水平方向區域沒有拉伸，水平方向上的能量分布也沒有改變，因此，X′仍為S′的能量重心軸。垂直方向根據重心原理有：
（2）
式中 為照射區域dx的能量密度。根據照度原理，同等的光照在傾斜面上光強為，因此dx′處的能量為 ，或用X上的變量來表達即為 。
對式（1）作積分變換x=tcos ，得
（3）
式（3）等價于：
（4）
表明X′方向的能量重心軸經過O′，因此O′為變化后照射區域的能量中心。
此結果可證明激光測量中，激光束存在一根能量中心光線，保證了精密測量的條件。使激光對中的分辨率可達0.001mm，對中精度較高。因此，應用激光對中技術進行機組安裝找正不必懷疑測量結果，可實現高質量軸對中的要求。
4 現場實例
現以圖5所示BCL408型離心壓縮機組增速機與壓縮機間聯軸器找正為例，詳述激光對中儀的工作過程。
圖5 BCL408型離心壓縮機組示意圖
令增速機為基準設備，固定S單元；壓縮機為調整設備，固定M單元；C點為聯軸器中心；F1、F2分別為M單元的前后地腳支點。圖中各點間的距離見表1。
表1 所需距離數據
距離/mm | S-C | S-M | S-F1 | S-F2 |
260 | 580 | 1085 | 1905 |
找正前對中情況很差，必須先進行粗調，轉動兩軸到9點鐘、3點鐘位置，調整M端設備使激光束打到對面靶心。
啟動軟腳測量程序，按提示輸入表1距離數據及工作轉速。在12點鐘位置調整光束到靶心，打開目標靶。依次松開然后擰緊M單元的4個地腳螺栓，測量結果如圖6所示。按程序給出的墊平厚度0.07mm，墊平變化zui大的左下地腳，使設備地腳處于穩定狀態。
圖6 軟腳測量
啟動EasyTurnTM任意3點水平機械軸對中程序。S軸可轉到任意位置進行測量，調整M軸，確保儀器上顯示的S和M角度標記重合（或幾乎重合），關上目標靶，調整激光束到靶心，記錄第1個測量值。轉動S軸（＞20°），關上M單元目標靶，再轉動M軸，直到S單元發出的激光束打到M單元目標靶的中心，打開目標靶，記錄測量結果。第3點測量與第2點相同。顯示測量結果如圖7。
圖7 顯示測量結果
按測量結果進行調整，水平方向上，F2向靠近身體方向移動0.3mm；垂直方向上，F1抬高0.54mm，F2降低0.85mm。
zui終測量結果是根據容差表自動判斷是否已在允許范圍內，容差的允許范圍與設備的轉速有關。此壓縮機工作轉速為10575r/min，將平行偏差控制在0.01mm，角度偏差控制在0.01mm/100mm以內，顯示屏上聯軸器標記的左側變黑，測量結束。
整個測量過程用時不到1h，工作效率明顯增加。此套機組其它部位的聯軸器安裝找正全部采用激光對中，使機組試車一次成功，確保了產品的順利出廠。
5 結論
實踐證明，激光對中技術是離心式壓縮機組安裝找正的一次飛躍。應用激光對中儀，提高對中精度，減小對中誤差，可降低設備能耗，延長維修周期，必將為企業帶來巨大的經濟效益。
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