Lasery do wyznaczania współosiowości wałów

Modułowy system Rotalign Ultra firmy Pruftechnik służący do centrowania zespołów maszyn, pomiarów płaskości, prostoliniowości i prostopadłości oraz pomiarów współosiowości otworów. System może komunikować się w pełni bezprzewodowo z czujnikami.

Jednym z najważniejszych warunków długoletniej bezawaryjnej pracy zespołów maszynowych jest dokładne ustawienie sprzęgniętych ze sobą maszyn. Wzrost produkcji i wydajności pociąga za sobą zastosowanie maszyn o wyższych obrotach wirników, zwiększenie mocy przenoszonych przez sprzęgnięte maszyny oraz zmniejszenie rezerw materiałowych. Ponieważ nowoczesne maszyny, mimo wyższych obrotów i większych obciążeń ze względu na koszty, są coraz lżejsze i mają coraz mniejsze rezerwy wytrzymałościowe, należy dążyć do zapewnienia im optymalnych warunków pracy. Znaczący udział w tych uwarunkowaniach ma optymalne ustawienie maszyny, polegające między innymi na dokładnym ustawieniu współosiowości wałów zespołów

maszyn.

Można wyróżnić następujące rodzaje niewspółosiowości:

• niewspółosiowość zesprzęglonych wałów maszyn,
• niewspółosiowość osi stojaków łożyskowych z osią wału,
• niewspółosiowość korpusów z osią wirnika,
• koła pasowe nie znajdują się w jednej płaszczyźnie.

Rys.1. Konsekwencje niewłaściwej współosiowości wałów 

 Niewspółosiowość elementów maszyn może wynikać z niewłaściwego ustawienia maszyny, błędów konstrukcyjnych, nieprawidłowej obróbki mechanicznej elementów, odkształceń cieplnych, pęknięć, osiadania fundamentów itp. Niewspółosiowość pojawia się także w trakcie eksploatacji maszyn, podczas której maszyna ulega zużyciu, fundamenty osiadają, elementy maszyny ulegają deformacji.

Utrata współosiowości wałów i korpusu powoduje niebezpieczeństwo nadmiernego obciążenia łożysk, wałów, uszczelnień i sprzęgieł, co w rezultacie może powodować ich zniszczenie.

Niewspółosiowości może towarzyszyć:

• wzrost poziomu drgań,
• wzrost mimośrodowości wirników,
• przytarcie wałów o uszczelnienia,
• nieprawidłowa praca sprzęgieł,
• szybsze zużycie łożysk,
•  pogorszenie sprawności niektórych maszyn na skutek powiększenia luzów.

Przestoje maszyn wirnikowych spowodowane ww. przyczynami można w znacznym stopniu wyeliminować dzięki starannemu ustawieniu ich wałów (osiowaniu). Około 50% uszkodzeń maszyn wirujących można przypisać błędom w ich ustawianiu. Ustawienie prawidłowe gwarantuje krótsze i rzadsze przestoje, niezbędne dla przeprowadzenia planowanej obsługi i napraw. Dlatego operacja ustawiania maszyn jest jedną z najważniejszych na etapie montażu i podczas remontu maszyny.

Na czym polega wyższość tej metody?

W 1983 roku w Niemczech pojawił się pierwszy laserowy przyrząd Optalign do ustawiania maszyn, które wyraźnie zwiększyły precyzję tej operacji. Do tego czasu dokładne ustawianie sprzęgniętych maszyn potrafili wykonać z powodzeniem tylko fachowcy mający duże doświadcze nie w obsłudze czujników mechanicznych. Korzystanie z tych czujników wymaga precyzyjnego ich instalowania oraz właściwej interpretacji wyników pomiarów. Kolejne czynności wykonywane przy użyciu czujników mechanicznych mogą być przyczyną błędów, nawet jeżeli ustawianie maszyn wykonuje personel z dużym doświadczeniem. Przyrządy z czujnikami mechanicznymi wymagają stosowania mechanicznych mostków mocowanych do ciężkich uchwytów, których zwis musi być dokładnie zmierzony i uwzględniony w dalszych obliczeniach. Przykłady zastosowania czujników zegarowych do osiowania wałów; a – sprzęgło krótkie, b – sprzęgło z przekładką

Takie ustawianie ma szyn wymaga nie tylko doświadczenia, ale również znajomości zależności trygonometrycznych, by odczytane z czujników wartości odnieść do łap maszyny. Ponadto każde ustawienie jest czasochłonne i jednocześnie wymaga użycia oprzyrządowania (często różnego dla różnych zespołów maszyn).

Wprowadzenie systemów laserowo-optycznych pozwoliło na całkowite zrezygnowanie z czujników mechanicznych. Ustawianie maszyn stało się bardzo dokładne, proste, szybkie i tanie.

Systemy laserowe opierają się na bezdotykowych pomiarach za po mocą nieszkodliwego promienia laserowego. Nie jest po trzebne mechaniczne połączenie między punktami pomiaro wymi na obu wałach. Punkty te „łączy” promień lasera, co eliminuje możliwość powstania błędów spowodowanych zwisem prętów pomiarowych, zacinaniem się czujników mechanicznych lub pomyłkami w obsłudze.Rys. 2. Dokładność ustawiania maszyn

Systemy takie jak Optalign czy Smartalign składają się z trzech podstawowych elementów:

• modułu zawierającego nadajnik oraz detektor promie niowania laserowego,
• pryzmatu załamującego i jednocześnie odbijającego pro mień laserowy, lub w wypadku systemów Rotalign Ultra, Novalign;
• modułu zawierającego nadajnik promie niowania laserowego,
• detektora promie niowania laserowego,

  oraz

• modułu mikroprocesora z wyświetlaczem.

Dwa pierwsze elementy są mocowane do wałów maszyn i połączone przewodem z mikroprocesorem (obecnie są produkowane systemy bezprzewodowe wykorzystujące Bluetooth). Podczas obrotu wału wykazującego kątowe i równoległe przesunięcia odbity promień lasera zmienia swój kierunek, a zatem i miejsce trafienia w detektorze. Na podstawie danych przekazywanych automatycznie mikroprocesor oblicza poziome i pionowe wartości korekcji, które są wyświetlane na ciekłokrystalicznym ekranie z dokładnością do 1/100 mm.

W zależności od stopnia uciążliwości i warunków montażowych osiowanie wałów maszyn metodą laserową stanowi średnio 20% czasu potrzebnego do ustawiania maszyn metodą tradycyjną z wykorzystaniem czujników mechanicznych. Oprócz ustawiania zespołów maszyn, system laserowy może służyć do szybkiego sprawdzenia prawidłowości wyosiowania wałów eksploatowanych maszyn. Często podczas eksploatacji maszyn zachodzi podejrzenie o rozosiowanie zespołu pracujących maszyn. Za pomocą systemu laserowego można bardzo szybko wykryć tę nieprawidłowość.

System laserowy zrewolucjonizował ustawianie i sprzęganie wielu maszyn pod względem dokładności, szybkości, wygody i kosztów. Osiowanie maszyn metodą laserową ma następujące zalety:

• możliwość wyznaczenia wzajemnego położenia rzeczywistych osi obrotu wałów dwóch lub więcej współpracujących ze sobą maszyn, niezależnie od kształtu półsprzęgieł,
• możliwość osiowania wałów dla dużych odległości między tarczami sprzęgieł (sprzęgła z wałem pośrednim) np. 10 m lub 20 m,
• precyzyjne wyniki pomiaru można uzyskać już po wykonaniu 1/6 obrotu przy dowolnym kierunku obrotu i z dowolnego położenia wyjściowego,
• łatwe przeprowadzanie pomiarów, wartości mierzone przekazywane są do komputera, na którego ekranie wyniki przedstawione są graficznie,
• zastosowanie uchwytów szybko mocujących do szybkiego montażu systemu na wałach lub sprzęgle w czasie ok. 5 min.,
• brak prętów pomiarowych wyklucza potrzebę obliczania i uwzględniania w obliczeniach zwisów tych prętów,
• luz poosiowy wałów nie ma wpływu na wynik końcowy ustawienia,
• osiowanie wałów jest również możliwe przy rozłączonym sprzęgle przy zastosowaniu np. metody multipoint i wykorzystaniu wbudowanej poziomicy optoelektronicznej.
• istnieje możliwość przeprowadzenia pomiarów na wałach, które nie mogą być obracane przez zastosowanie specjalnych uchwytów ślizgowych,
• możliwość wykrywania tzw. miękkiej (kulawej) łapy, nieleżącej w jednej płaszczyźnie z pozostałymi, i usunięcia skutków tej wady,
• odchyłki kątowe i równoległe na sprzęgłach zostają wyświetlone na ekranie i porównane z zawartymi w przyrządzie tabelami tolerancji dopuszczalnymi dla sprzęgieł o określonej średnicy i prędkości obrotowej,
• w czasie koniecznych przemieszczeń maszyny ustawianej nie trzeba stosować czujników zegarowych, gdyż na ekranie komputera w sposób ciągły jest pokazywany kierunek i wielkość korekty,
• możliwość wprowadzenia danych uwzględniających rozszerzalność termiczną maszyny, co daje pewność, że maszyna otrzyma prawidłowy stan ustawienia po uzyskaniu temperatury pracy,
• krótki czas potrzebny na przeszkolenie personelu obsługi dzięki łatwemu przeprowadzeniu pomiarów,
• możliwość szybkiego wydrukowania protokołu pomiarowego.

Ustawianie maszyn metodą Iaserowo-optyczną w Elektrowni Opole

Elektrownia Opole jako jedna z pierwszych w Polsce zastosowała system laserowy Optalign do ustawiania maszyn (1991 r.). Corocznie sprawdza się współosiowość lub osiuje tą metodą ok. 200 różnego rodzaju i wielkości maszyn wirnikowych. Czas ustawiania zespołu wynosił od ok. 20 min do ok. 2 h, w zależności od stopnia rozosiowania, uciążliwości i warunków montażowych (sprzęgła krótkie, sprzęgła z przekładką). Stanowiło to średnio 20% czasu potrzebnego do ustawienia maszyny metodą tradycyjną, wykorzystującą czujniki mechaniczne. Zaoszczędzono w ten sposób wiele czasu przy jednoczesnym bardzo dokładnym ustawianiu. Po ustawieniu zespołów maszyn przesunięcia kątowe i równoległe sprzęgieł wynosiły do 0,04 mm, co istotnie poprawiło pracę maszyn i ograniczyło ich awaryjne przestoje. 

Wentylator spalin w trakcie laserowego osiowania

 Warto wspomnieć o ustawieniu pomp posadowionych pionowo (fot. 3). Ich ustawianie za pomocą czujników zegarowych było utrudnione i czasochłonne ze względu na niewygodny dostęp do wału. System laserowo-optyczny w łatwy i szybki sposób umożliwił ustawienie tych maszyn z końcowymi przesunięciami kątowymi i równoległymi do 0,03 mm. W tym przypadku dzięki systemowi laserowemu uzyskuje się informacje o wielkości podkładek korekcyjnych w dowolnym punkcie obwodu podstawy silnika. W kilku przypadkach wykryto błąd fabryczny połączenia zamkowego silnika z tuleją dystansową pompy, uniemożliwiający poprawne ustawienie. Tuleje należało odesłać do przetoczenia.

System laserowo-optyczny okazał się bardzo przydatny przy ustawianiu osiowych wentylatorów spalin AN-30e6 (fot. 4) i osiowych wentylatorów podmuchu AP-1-22/12, wyposażonych w sprzęgła zębate z wałem pośrednim o długości ok. 6 m (wentylatory spalin) i 3 m (wentylatory powietrza). Znaczna odległość między wałami ustawianych maszyn, luzy sprzęgieł zębatych oraz duże masy silników (ok. 6000 kg) ogromnie utrudniały ustawianie tych zespołów za pomocą czujników mechanicznych.

Ponieważ zespoły były znacznie rozosiowane i promień laserowy podczas obrotu wału wychodził poza zakres detektora (laser i pryzmat zamontowane w odległości ok. 6 m od siebie dla wentylatorów spalin i 3 m dla wentylatorów podmuchu) przystąpiono do ustawiania wstępnego według następującego schematu.

Krok pierwszy – pomiary na sprzęgle pierwszym. Za notowanie otrzymanych wartości poprawek. (rys. 3a).

Krok drugi – pomiary na sprzęgle drugim. Zanotowanie otrzymanych wartości poprawek (rys. 3b).

Krok trzeci – odpowiednią wartość poprawek do usta wienia otrzymano przez dodanie wyników kroku pierwszego i drugiego.

Po wykonaniu tych kroków korygowano położenie silników wg sumy wartości korekcyjnych z pomiaru dla sprzęgła pierwszego i drugiego. Po tych operacjach promień lasera podczas obrotu wału znajdował się już w obrębie detektora i ustawienie można było skorygować bardzo dokładnie (rys. 3c). Dziś dzięki funkcji rozszerzenia zakresu pomiarowego procedura ta została wyeliminowana, a osiowanie zespołów maszyn mocno rozosiowanych bardzo uproszczone. 

Rys. 3. Przebieg ustawienia wstępnego: (a) krok pierwszy – pomiar na sprzęgle pierwszym, (b) krok drugi – pomiar na sprzęgle drugim, (c) krok trzeci – laser i pryzmat zamontowane bezpośrednio na wałach wentylatora i silnika

Każdy z czterech wentylatorów ustawiano w ciągu ok. 4 h. Czas ten wynikał przede wszystkim z oczekiwania na przesunięcia i podnoszenie masywnych silników przez grupę montażową, która była do tego nieprzygotowana (brak śrub korekcji poziomej). Sam czas pomiaru był bardzo krótki. Wentylatory ustawiono z dokładnością 0,90 i 0,22 mm dla przesunięć równoległych wału pośredniego oraz 0,04 i 0,02 mm dla przesunięć kątowych wałów wentylatora i silnika. W przypadku wentylatorów spalin uwzględniono poprawkę na rozszerzalność cieplną.

Oprócz ustawiania nowych zespołów maszyn system laserowy służy w Elektrowni Opole do szybkiego sprawdzania prawidłowości wyosiowania wałów pracujących zespołów (średni czas sprawdzania wynosi ok. 15 min). Często podczas eksploatacji zachodzi podejrzenie o rozosiowanie zespołu pracujących maszyn. System laserowy Optalign szybko wykrywa tę nieprawidłowość.

Mgr inż. Józef Dwojak jest wieloletnim pracownikiem Wydziału Kontroli Jakości i Diagnostyki BOT Elektrowni Opole SA na stanowisku specjalisty ds. diagnostyki maszyn.

Autor:

Józef Dwojak, specjalista ds. diagnostyki maszyn, Elektrownia Opole