廖路， 毛藝喬， 于成波， 李敏， 劉旭東， 孫世杰

（中國核動力研究設(shè)計院，成都610213）

0 引言

泵是一種通用機械設(shè)備，廣泛地應用于石油、化工、電力及冶金等關(guān)乎國民經(jīng)濟發(fā)展的眾多行業(yè)中[1]。正是由于泵的重要地位，保證泵的正常運轉(zhuǎn)對工業(yè)生產(chǎn)的正常進行具有重要意義。但是泵在長期運行過程中，泵軸可能因各種因素發(fā)生彎曲[2]，泵軸彎曲將會引發(fā)劇烈振動等不良現(xiàn)象，影響泵的正常運轉(zhuǎn)。因此為保證泵的正常運轉(zhuǎn)，需要在泵定期維修時對泵軸進行彎曲度測量，確保泵軸的彎曲度符合規(guī)定要求。

泵軸的彎曲度測量一般利用在水平臺上架設(shè)千分表進行測量，測量過程中需要多次移動千分表架并重新調(diào)整千分表位置，同一軸斷面處需要手動旋轉(zhuǎn)被測軸進行測量，整個測量過程需手動操作步驟較多，導致人為因素影響測量精度的概率增加，還會延長測量時間。為了減少手動操作次數(shù)，經(jīng)過調(diào)研，本文專門研制了一種可自動測量并處理測量數(shù)據(jù)的泵軸彎曲度測量裝置。

1 設(shè)計要求

工業(yè)生產(chǎn)中應用到的泵型號及尺寸多種多樣，泵軸外徑尺寸從幾十毫米到上百毫米，這就要求所設(shè)計的彎曲度測量裝置需適用于不同尺寸大小泵軸彎曲度的測量。同時為了得到更加精確的測量結(jié)果，根據(jù)計算軸彎曲度的方法特性，測量裝置需要滿足的要求還有：1）泵軸同一徑向方向2個相對測點位置盡可能對稱；2）泵軸可以自由轉(zhuǎn)動；3）測量儀器可沿軸向方向移動；4）激光測距器的測量精度需達到0.01 mm。

根據(jù)泵軸彎曲度的測量要求，泵軸彎曲度測量裝置的設(shè)計要求為：1）彎曲度測量裝置中的測量模塊2個測量頭對稱布置，測頭所在位置與泵軸中心線在同一水平面內(nèi)；2）為保證可夾持不同尺寸的泵軸，測量裝置的夾持模塊可移動；3）為保證同一軸測面可測不同位置，應保證夾持模塊可帶動軸旋轉(zhuǎn)。

2 彎曲度測量裝置設(shè)計

測量分為接觸式測量和非接觸式測量，使用非接觸式測量可以提高測量效率，并且不會因接觸被測物體而對被測物體產(chǎn)生不良影響，非接觸式測量還因無需進行接觸點處測頭調(diào)節(jié)而縮短測量時間。故而彎曲度測量裝置測量儀器選擇非接觸式的激光測距儀[3-4]。彎曲度測量裝置主要由支撐單元、測量單元、夾持單元及動力單元等組成。

夾持單元根據(jù)所測軸長度在支撐單元上進行定位，而在測量過程中，測量單元沿支撐單元上的導桿移動，從而對不同軸斷面處進行測量，夾持單元帶動被測軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)同一軸斷面處不同測點的測量。為保證同一軸斷面測點均勻分布，夾持單元轉(zhuǎn)動通過步進電動機控制。彎曲度測量的流程如圖2所示。

圖1 彎曲度測量裝置結(jié)構(gòu)簡圖（不含電動機）

2.1 支撐單元

支撐單元主要由機架、導桿及絲桿組成，主要功能是實現(xiàn)夾持單元的定位和測量單元的導向。導桿布置在機架兩側(cè)，絲桿通過機架的中部與伺服電動機連接。進行測量時，伺服電動機帶動絲桿轉(zhuǎn)動，與絲桿配合的測量單元同時沿導桿移動。同時為了量化軸斷面測量位置，在機架一側(cè)刻有長度標尺。為了實現(xiàn)被測軸的轉(zhuǎn)動，機架兩立板上有連接三爪夾盤的孔洞，三爪夾盤通過軸承固定于機架上兩立板上，其中靠近驅(qū)動端的立板能夠沿機架上加工出的T形槽移動，便于三爪夾盤夾持不同長度的軸。

圖2 彎曲度測量流程圖

2.2 測量單元

測量單元由移動模塊和激光測距儀組成。移動模塊是左右對稱的結(jié)構(gòu)，底部中心位置處有螺紋孔與絲桿配合，在絲桿轉(zhuǎn)動時帶動移動模塊左右移動；上部壓板結(jié)構(gòu)用于固定激光測距儀。為保證測量精確度，要求激光測距儀的測頭中心高度與夾持裝置三爪夾盤中心高度一致，誤差小于0.01 mm。為保證精確度，選用德國進口的高精度激光測距儀傳感器FT50，其分辨率為20 μm，精度為0.01 mm。

2.3 夾持單元

夾持單元由三爪夾盤組成。安裝三爪夾盤時，軸承和三爪夾盤的配合采用過盈配合，保證軸在頻繁旋轉(zhuǎn)過程中不會出現(xiàn)大的振動和沖擊。

2.4 動力單元

為實現(xiàn)軸的轉(zhuǎn)動和測量單元的移動，動力單元選用2臺伺服電動機分別為絲桿轉(zhuǎn)動和三爪夾盤轉(zhuǎn)動提供動力。經(jīng)過計算，測量單元的總質(zhì)量約為2 kg，為滿足可驅(qū)動測量單元運動要求，可選用SMG-E02430型50 W功率的伺服電動機。為了驅(qū)動三爪夾盤帶動被測軸旋轉(zhuǎn)，設(shè)定測量裝置能測最大質(zhì)量的軸為100 kg，經(jīng)過計算，選用功率為500 W的伺服電動機能夠滿足驅(qū)動要求。

3 控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計

控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包含控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊兩大部分?？刂颇K具有控制測量單元移動、被測軸轉(zhuǎn)動及激光測距儀啟停功能；數(shù)據(jù)處理模塊對所測數(shù)據(jù)進行整理分析并輸出最終結(jié)果。

3.1 控制模塊

利用STM單片機對被測軸轉(zhuǎn)動和測量單元移動進行控制。利用伺服電動機控制絲桿及三爪夾盤轉(zhuǎn)動，絲桿轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對測量單元的準確定位，三爪夾盤的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)被測軸角度定位。被測軸每次需轉(zhuǎn)動的角度θ可依據(jù)每個軸斷面選定的測量點數(shù)N進行確定，計算式為

通過控制激光測距器的電源通斷實現(xiàn)激光測距器的測量。在總體上，激光測距器工作開始和停止與絲桿和三爪夾盤啟停的時間間隔設(shè)置為0.5 s。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

3.2.1 計算理論

圖3為泵軸跳動測量示意圖，軸的彎曲度測量一般選取軸斷面?zhèn)€數(shù)為6個，根據(jù)軸直徑大小每個軸斷面需測量具有對稱性的4個、6個或8個點。

圖3 泵軸彎曲度測量示意圖

測量時，以帶有鍵槽的一側(cè)作為起點，沿順時針方向進行測量。每個軸斷面彎曲度大小可利用式（2）～式（4）計算得到：

式中：i為軸斷面代號；j為每個軸斷面測量點代號；L為激光測距儀測頭間距離的一半；dij為激光頭至軸表面距離；ri為測量處軸半徑；yij為偏差值；ei、eij為彎曲度。

3.2.2 程序設(shè)計

利用MATLAB編寫控制和數(shù)據(jù)處理程序。控制程序主要包含3個部分：1）控制絲桿轉(zhuǎn)動的伺服電動機啟停；2）控制三爪夾盤轉(zhuǎn)動的伺服電動機啟停；3）激光測距器的啟停。

數(shù)據(jù)處理程序?qū)崿F(xiàn)了讀取激光測距器測量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的整合計算及軸彎曲向量圖的繪制。利用MATLAB生成的GUI操作界面包含4個部分：1）軸斷面位置坐標值x1～x6輸入模塊；2）彎曲度規(guī)定值輸入模塊；3）最大彎曲度位置、大小及彎曲方向顯示模塊；4）軸彎曲向量圖顯示模塊；5）合格性檢查結(jié)果顯示模塊；6）結(jié)果輸出打印模塊。

圖4為MATLAB程序的GUI界面以及點擊運行后的初始運行界面。

圖4 MATLAB程序GUI界面以及運行界面

為檢驗所編寫MATLAB 程序的正確性，利用一組來自于互聯(lián)網(wǎng)的軸彎曲度實測數(shù)據(jù)進行檢驗，測量時共選擇了5個軸斷面，每個軸斷面選擇8個測點，測量所得的數(shù)據(jù)如表1所示。進行驗證時，用1～5作為測點坐標，利用最小二乘法進行曲線擬合得到軸的彎曲向量曲線，MATLAB程序計算得到的結(jié)果與傳統(tǒng)方法測量結(jié)果如圖5 所 示 。MATLAB 的界面中軸的最大彎曲方向利用角度進行表示，其中0°為1號與5號測量點所在方向，45°為2號與6號測量點所在方向，90°為3號與7號測量點所在方向，135°為4號與8號測量點所在方向。

圖5 兩種不同方法所得結(jié)果

經(jīng)過分析，利用MATLAB程序計算可以得到軸的最大彎曲值，與傳統(tǒng)方法所得的最大彎曲度值基本一致，說明編寫的數(shù)據(jù)處理程序適用于軸的彎曲度計算。

表1 各軸斷面的測點跳動值 mm

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的泵軸彎曲度測量裝置結(jié)合自動化技術(shù)和非接觸式的激光測距技術(shù)，同時利用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理，能夠?qū)崿F(xiàn)泵軸彎曲度的快速測量，可以在很大程度上節(jié)省維修時間，減輕維修人員的勞動強度，還能有效避免手工測量所帶來的人因誤差。由于測量泵軸彎曲度是泵類設(shè)備檢修的關(guān)鍵步驟，泵類設(shè)備檢修工作是保證工業(yè)生產(chǎn)安全及高效運行的關(guān)鍵。因此能夠快速測量泵軸彎曲度的裝置具有廣闊的應用前景。