同轴度的测量与校准.doc

同轴度的测量与校准摘 要：通过对同轴度测量中的误差分析，介绍了运用轴-径向双表组合测量法与双径向表组合测量法进行同轴度的测量与校准方法，提高了同轴度测量与校准的精度，除此。还对影响同轴度校准的因素进行简要的分析。关键词：同轴度 测量 校准 图1 轴的四个测量点在机械工程中，常常涉及到联轴器的安装，由此，联轴器所连接的两根轴的同轴度校准就显得特别重要。据美国一项研究表明：大约50%的机械设备损坏是由于轴的同轴度校准不当所至。当同轴度误差超差后，轴的位置不正将造成轴承上受有附加力，从而严重地降低轴承的使用寿命，并加快轴承密封件的磨损，导致设备的泄漏现象出现。除此，同轴度超差还会造成机器振动，机器噪音增加，能量消耗增加，零件疲劳破坏等一系列不良影响。1、同轴度测量误差分析图2 百分表测量同轴度的几何原理图图3 同轴度测量的有效原则（1）同轴度的测量受轴的跳动量的影响 同轴度误差主要有两轴的角度位移误差和径向位移误差，实际中常常是两种误差的组合，且其方向可能是任意的。由于实际装置常设计成水平与垂直方向可调，故机械工程上采用的同轴度校准方法是分别在水平与垂直方向的四个测量点进行测量与校准，初校时常采用刀口尺和塞尺进行同轴度的校准，同轴度要求较高的则需继续采用百分表进行精确测量与调整。但由于工程技术人员在测量时，往往用塞尺和刀口尺在两个固定不动的轴的上下和前后共四个位置进行测量。即使用百分表测量，也是将百分表固定在一个基准轴上，百分表测量杆指在调整轴的表面上，然后仅旋转基准轴而不旋转调整轴，由此根据表上读数进行调整。其实，这种测量已经包含了轴的跳动量，即端面跳动影响了轴在垂直与水平方向的角度位移误差，径向跳动影响了轴在垂直与水平方向的径向位移误差。解决的方法是在测量时同步旋转两轴，始终在调整轴的同一点处测量。为了保证测量点在四个不同的测量位置进行测量，我们有必要对轴的四个测量位置进行标识。将固定轴的端面看成一个时钟，即确定时钟位置时，始终自调整机器朝着固定不动的机器观察，从而将12点与6点定义为垂直方向的两个测量位置点，3点和9点定义为水平方向的两个测量位置点，如图1所示。这样，我们就可以测得一个测量点在四个不同位置的误差值，并正确评价调整轴的同轴度误差大小，从而消除了轴的跳动量的影响。（2）百分表测量装置有误差，影响了同轴度的测量值 如图2所示，M1为基准轴，M2为调整轴，两轴间有一垂直方向的径向偏移量度e（同轴度误差常是任意方向的，本例是同轴度误差的一种特殊情况），当两轴同步旋转时，百分表上即可得到读数。为了比较调整轴相对于基准轴的高低，将测量杆压入时的示值规定为负，反之为正。从几何图形上可知，虚线圆为百分表示值为0的测量杆端的运动轨迹（在12点处首先要将百分表设置为0），这样，百分表在6点处测量值应为2e ，也就是说，百分表示值的一半为实际的径向位移误差。同时，从该图中我们还得出一个结论：水平方向（3点和9点）的示值之和等于垂直方向（12点和6点）的示值之和，这是同轴度测量时的一个重要的有效原则，如图3所示。如果两方向的测量值不等，则表示测量装置有误差，如百分表的夹持杆可能弯曲，或者两轴的旋转不同步。因此，在测量同轴度前，须运用有效性原则来核查，以保证测量的准确性。对于测量杆弯曲程度的检查可以用这样的办法：将一百分表装在一根直线度很高的轴上，然后在其上的12点和6点分别进行测量，百分表示值的半值即为百分表夹持杆的弯曲变形量。2、轴-径向双表组合测量与校准方法图4 轴-径向双表组合测量法MS轴-径向双表组合测量法的原理是基于两轴间的角度位移误差与径向偏移误差的测量。测量时，用百分表架将两个百分表安装在基准轴（S）上，以用于测量调整轴（M）的同轴度误差（如图4所示），其中，径向百分表的测量杆指向半联轴器（或轴）的外圆表面并垂直于轴线，用于测量调整轴的径向位移误差值；轴向百分表的测量杆垂直于半联轴器（或轴）的端面（平行于轴线），用于测量调整轴的角度位移误差值。测量时，分别在四个测量位置进行测量（百分表在12点处均设置为0），并首先根据12点和6点的测量值运用图解法解出调整轴（本例为电机）的前后安装底脚所需垫的垫片。下面用例1讲解图解法步骤。例1 已知：一水泵与电机用联轴器进行联接。用轴-径向双表组合测量法进行同轴度校准，所测数据为：径向百分表从12点位置至6点位置的测量值为 -0.36mm。轴向百分表从12点位置至6点位置的测量值为-0.12mm。联轴器直径a=100mm，百分表测量点至电动机上的前底脚的距离b=40mm，前后底脚的距离c=110mm。（1）画出一条代表基准轴（S）轴线的水平直线，并确定画图所用的比例；（2）按比例画出百分表测量点、电机前后底脚在基准轴线上的投影位置P点、Q点和R点，使PQ=b=40mm，QR=c=110mm；（3）根据径向百分表示值的半值（=-0.18mm），在过P点的垂直线上作点C，使PC=-0.18mm（正值在上，负值在下），此点表示调整轴相对于基准轴径向偏移后的轴线所通过的位置；（4）根据轴向百分表的示值(-0.12mm)，以C点为起点，在PC的延长线上作出D点，使CD=-0.12mm(正值向上，负值向下)。然后再过D点向右作一条平行于基准轴线且其值等于调整轴半联轴器端面测量处的直径（约等于联轴器直径）的直线DE，使DE=100mm。这样，C、D、E三点构成了一个三角形CDE，CED反映了半联轴器（或调整轴）端面相对于垂直方向的倾斜程度，由于轴线与半联轴器（或调整轴）端面垂直，故调整轴的实际倾斜角度也等于CED，因此，CE表示了调整轴轴线在径向位移的基础上相对基准轴线角度位移后所在的位置；（5）连接CE，即得调整轴的实际位置；（6）由图4可知，调整轴轴线上与电机前、后底脚相对应的F点和G点分别偏离了基准轴轴线上的对应点Q和R点。为了使调整轴的轴线与基准轴在一条直线上，必须在两底脚处分别垫一个值等于QF和RG值的垫片。因此，通过此图可按比例测量得QF（=0.23mm）和RG(=0.36mm)值，以制作垫片进行调整。以上操作仅是两轴在垂直平面内的同轴度的校准，而水平面内的同轴度校准，则可以通过调整底座进行校准，其方法如下：（1） 将安装螺栓拧紧；（2） 将两百分表转至测量点3点位置，并均设置为0；（3） 将百分表调至测量点9点位置，并设置两表以将两表的示值调为其各自的半值；（4） 拧松安装螺栓，用塑料锤轻敲底座以进行微调（有些装置采用调节螺钉），使两表示值均回0值为止，再拧紧螺栓。3、双径向百分表组合测量与校准方法图5 双径向双表组合测量法双径向百分表组合测量法的原理是基于测量调整轴在两点处相对基准轴的径向偏移误差，从而用两点确定调整轴的实际位置。测量时，用百分表架将两个百分表沿径向分别安装在两个“半联轴器”上，注意两个表要彼此位置成180度，即一个（M）在12点，另一个（S）在6点（如图5所示）。径向百分表S用于测量调整轴在O点处的径向偏移量，径向百分表M用于测量调整轴在P点处的径向偏移量。测量时，分别在四个测量位置进行测量（百分表M在12点处设置为0，而百分表S在6点处设置为0），并首先根据12点和6点的测量值运用图解法解出调整轴（本例为电机）的前后安装底脚所需垫的垫片。下面用例2讲解图解法步骤。PO例2 已知：一水泵与电机用联轴器进行联接。用双径向百分表组合测量法进行同轴度校准，所测数据为：百分表M从12点位置（设置为0）至6点钟位置的测量值为+0.28mm；百分表S从6点位置（设置为0）至12点位置的测量值为+0.16mm；两个“半联轴器”间的距离a（OP）=140mm；从调整机器的“半联轴器”至电机前底脚的距离b=40mm；电机两个底脚间的距离c=110mm。（1）画出一条代表基准轴轴线的水平直线，并确定画图所用的比例；（2）按比例画出百分表测量点、电机前后底脚在基准轴线上的投影位置O点、P点、Q点和R点，使OP=a=130mm，PQ=b=40mm，QR=c=110mm；（3）根据径向百分表S在12点处示值的半值(=+0.08mm)，在过O点的垂直线上作点H，使OH=+0.08mm，如果此值为正，则应位于直线上方，反之，则应位于直线下方。正值的意义在于：待调整轴的轴线在此点已高于基准轴的轴线。因此，H点表示调整轴相对于基准轴在O点处径向位移后的轴线所通过的位置；（4）根据径向百分表M在6点处示值的半值（=+0.14mm），在过P点的垂直线上作点J，使PJ=+0.14mm。同理，J点表示调整轴相对于基准轴在P点处径向位移后的轴线所通过的位置。（5）通过H和J点，画出一条直线，此直线即表示调整轴轴线在垂直平面内相对基准轴的实际位置。（6）由图5可知，调整轴轴线上与电机前、后底脚相对应的J、M点分别高于基准轴的对应点Q、R点。为了使调整轴的轴线与基准轴在一条直线上，必须在两底脚处分别减一个值等于QM（=0.158mm）和RN(=0.209mm)值的垫片。以上操作仅完成了两轴在垂直平面内的同轴度的校准，而水平面内的同轴度校准同轴-径向双表组合法在水平面的调整方法，需注意的是，M表和S表需分别在3点和9点处设置为0，而后分别旋转至9点和3点，并将示值调至为示值的半值，再通过用塑料锤轻敲调整机器底座使两表示值回零。采用上述两种方法进行同轴度校准时需注意两个问题，第一是必须首先用刀口尺进行初步的校准，然后才可采用轴-径向双表组合测量与校准法或双径向百分表组合测量与校准法进行高精度的校准；第二是采用上述两种校准方法时，往往要对垂直与水平方向进行多次反复校准才能达到精确校准的目的。4、结论笔者曾前往荷兰FONTYS大学接受高精度装配技术培训，并就同轴度测量与校准技术对多家企业进行现场培训，取得了满意的效果。但相对于轴-径向双表组合法来说，双径向表组合测量法的优点为：同轴度误差的评估变得较为简单；特别在两个“半联轴器”分离较远时，本方法更为精确；易于以图形来显现出调整轴轴线的位置，画图更为简单；测量过程不会象轴-径向双表法那样易受两个轴的轴向窜动的影响。但它们的缺点是：两根轴必须时同旋动；在两个“半联轴器”间距离很小时，精度稍差。但同轴度的校准公差应是多少，目前尚无国际标准。但是我们可以归纳为以下几个因素的影响。这些影响因素是：（1）轴的转速。如图6所示，对于相同尺寸的联轴器，当速度增大时，其允许的同轴度公差将变小。（2）联轴器的类型。特别与联轴器的弹性因素有关。但弹性和转速也紧密地相关，在转速增加时，弹性联轴器的刚性会变得好一点。（3）两个“半联轴器”间的距离。对于相同尺寸的联轴器，当两个“半联轴器”间的距离较大时，由于其径向偏移误差的校准可转变成角度位移误差的校准，且较大距离时角度位移误差也易于精确校准，故同轴度校准后的误差也易于控制得较小。图6 同轴度公差与轴的速度的关系作者单位：苏州