張澤民

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠(chǎng)有限公司，上海 200240)

0 引言

電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，沿軸向存在某一平衡位置使得氣隙磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)全部垂直于轉(zhuǎn)軸，而不產(chǎn)生任何軸向分量，稱(chēng)之為磁力中心線(xiàn)。受限于制造技術(shù)的隨機(jī)性與離散性，在電機(jī)制造過(guò)程中不能保證定轉(zhuǎn)子磁力中心線(xiàn)完全重合，所以在電機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于機(jī)座必然存在一定范圍內(nèi)的軸向竄動(dòng)。軸向竄動(dòng)較大時(shí)可能會(huì)引起較大的振動(dòng)、噪聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響電機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命。與負(fù)載連接時(shí)，如果電機(jī)磁力中心線(xiàn)不對(duì)中量超出規(guī)定范圍，可能會(huì)導(dǎo)致聯(lián)軸器端距變大，從而致使聯(lián)軸器膜片長(zhǎng)期受軸向拉力，引起疲勞斷裂，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)軸承或軸承端蓋產(chǎn)生附加軸向力，引起軸承磨損[1]。為避免電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中因轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)過(guò)大，而產(chǎn)生故障，需嚴(yán)格控制電機(jī)軸向竄動(dòng)量。

鑒于加工制造的離散性和隨機(jī)性，在電機(jī)裝配過(guò)程中，要多次反復(fù)測(cè)量定轉(zhuǎn)子幾何中心線(xiàn)是否對(duì)中。電機(jī)裝配完成后，需在空載試驗(yàn)時(shí)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)量，以此來(lái)驗(yàn)證定轉(zhuǎn)子磁力中心線(xiàn)是否對(duì)中。為了測(cè)量方便，常采用鋼皮尺等工具直接測(cè)量電機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下軸伸端鄰近軸肩與軸承端蓋外表面之間的距離，如圖1所示。傳統(tǒng)的測(cè)量方法精度較差，很難辨別電機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的“往復(fù)竄動(dòng)”；為提升測(cè)量準(zhǔn)確性，測(cè)量過(guò)程中需要測(cè)量人員將直尺盡可能靠近高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，危險(xiǎn)性較高。本文致力于研究無(wú)接觸激光測(cè)量技術(shù)在電機(jī)磁力中心線(xiàn)測(cè)量中的應(yīng)用，以提升測(cè)量的安全性和準(zhǔn)確度。

圖1 軸向竄動(dòng)量傳統(tǒng)測(cè)量方法

1 激光三角法測(cè)量原理

激光三角法測(cè)量屬于非接觸式測(cè)量方法，具有精度高、測(cè)量范圍大、對(duì)待測(cè)表面質(zhì)量要求低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于微小位移檢測(cè)和表面形狀檢測(cè)中[2-3]。不同于傳統(tǒng)的激光測(cè)距，激光三角法測(cè)量原理，根據(jù)入射光與被測(cè)物體表面的角度不同分為斜射式和直射式。

1．1 斜射式激光三角法原理

斜射式激光三角法原理是指入射激光束與被測(cè)物體表面成某一角度，如圖2所示。其中，激光束與被測(cè)物體表面法線(xiàn)的夾角為γ，散射光束與法線(xiàn)的夾角為θ，散射光束與CCD陣列單元之間的夾角為ψ，入射光點(diǎn)與成像透鏡中心之間的距離為L(zhǎng)，對(duì)應(yīng)成像點(diǎn)與成像透鏡中心點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)’，物體表面移動(dòng)前后距離為x，CCD陣列單元上的成像距離為x’。圖2中兩個(gè)陰影三角形相似，根據(jù)三角形相似定理：

(1)

可以得到物體表面相對(duì)位移計(jì)算公式為：

(2)

如果已知成像透鏡的焦距為f，根據(jù)高斯成像定理可知：

(3)

將式(3)代入式(2)可以得到物體相對(duì)位移計(jì)算式為：

圖2 斜射式激光三角法原理

1．2 直射式激光三角法原理

直射式激光三角法原理是指入射激光束與被測(cè)物體表面垂直，如圖3所示。直射式激光三角法是斜射式的一種特殊情況，即γ=0。根據(jù)方程(4)可以得到物體相對(duì)位移計(jì)算式為：

(5)

圖3 直射式激光三角法原理

1．3 激光位移傳感器

激光位移傳感器是基于激光三角法設(shè)計(jì)的高精度測(cè)量裝置，主要用于測(cè)量物體的相對(duì)位移、厚度和振動(dòng)等。激光位移傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理如圖4所示，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過(guò)鏡片1聚焦到被測(cè)物體表面a，一部分漫反射光透過(guò)鏡片2照射到CCD陣列上；當(dāng)物體表面移動(dòng)到位置b后，CCD上的反射點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，信號(hào)處理單元根據(jù)式(4)和(5)可以計(jì)算出物體表面的相對(duì)移動(dòng)距離，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)距的目的。激光三角法位移傳感器體積較小、結(jié)構(gòu)輕便、測(cè)量精度和分辨力較高、不易受環(huán)境電磁場(chǎng)影響，因此被廣泛應(yīng)用于位移、物體表面輪廓、自由曲面等測(cè)量場(chǎng)景，可進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)[4]。

圖4 激光位移傳感器原理

2 測(cè)量方案設(shè)計(jì)

大型異步電機(jī)出廠(chǎng)試驗(yàn)前，都要測(cè)量電機(jī)空載運(yùn)行狀況下磁力中心線(xiàn)的具體位置，也就是圖1中所示的x數(shù)值，我們通常將其稱(chēng)為Z尺寸。不同于傳統(tǒng)的電機(jī)磁中心測(cè)量方法，本文采用激光位移傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)軸伸端端面的相對(duì)位移變化，從而間接求得電機(jī)運(yùn)行中Z尺寸具體數(shù)值。具體測(cè)量過(guò)程如下：

(1) 將激光位移傳感器水平布置在電機(jī)軸伸端適當(dāng)距離處，調(diào)整傳感器水平裝置，使激光發(fā)生器產(chǎn)生光源盡量垂直于電機(jī)轉(zhuǎn)軸端面。

(2) 啟動(dòng)電機(jī)至額定轉(zhuǎn)速，激光位移傳感器置零。電機(jī)試驗(yàn)過(guò)程需要穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，根據(jù)需求，可以選擇將激光位移傳感器連接至電腦設(shè)備，實(shí)時(shí)記錄轉(zhuǎn)子沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)數(shù)值。

(3) 試驗(yàn)結(jié)束，待電機(jī)完全停止后，讀取激光位移傳感器示數(shù)，記作x1。

(4) 用游標(biāo)卡尺測(cè)量停機(jī)后的x2，如圖5所示。

(5) 通過(guò)計(jì)算可以得到電機(jī)出廠(chǎng)前試驗(yàn)所需要測(cè)量的Z尺寸，即x=x1+x2。

圖5 激光位移傳感器測(cè)量電機(jī)磁中心方法

利用激光位移傳感器間接測(cè)量Z尺寸的方法可以提升測(cè)量的準(zhǔn)確度，消除傳統(tǒng)測(cè)量方法中人為因素引入的測(cè)量誤差，使測(cè)量結(jié)果更具有說(shuō)服力。另外，非接觸激光測(cè)量可以在保證測(cè)量精度的前提下，提升測(cè)量過(guò)程的安全性。將高精度激光位移傳感器連接至PC上，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)軸向跳動(dòng)，有利于輔助診斷電機(jī)軸向振動(dòng)故障。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3．1 磁力中心線(xiàn)測(cè)量精度分析

不同型號(hào)的電機(jī)啟動(dòng)后軸向竄動(dòng)量受本身結(jié)構(gòu)和制造精度的影響較大，但多數(shù)電機(jī)軸向竄動(dòng)量最大不會(huì)超過(guò)15 mm。為滿(mǎn)足量程需求，調(diào)研商業(yè)化激光位移傳感器型號(hào)和測(cè)量范圍，以某品牌激光位移傳感器產(chǎn)品為例，其測(cè)量中心距、量程、測(cè)量精度如表1所示。電機(jī)出廠(chǎng)試驗(yàn)中規(guī)定Z尺寸測(cè)量誤差在0．5 mm以?xún)?nèi)就可以滿(mǎn)足要求。很明顯，使用測(cè)量中心距為50 mm、100 mm、200 mm的激光位移傳感器都可以同時(shí)滿(mǎn)足量程和精度要求。

表1 某品牌激光位移傳感器規(guī)格參數(shù)

3．2 軸向振動(dòng)故障診斷分析

使用表1中1號(hào)激光位移傳感器，測(cè)量某中心高為630 mm的4極異步電機(jī)磁力中心線(xiàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)軸向跳動(dòng)明顯，懷疑電機(jī)存在軸向故障。使用手持式測(cè)振儀測(cè)量軸伸端軸向振速為2.4 mm/s，水平和垂直方向振速在1.8 mm/s左右。使用PCB 356A16振動(dòng)加速度傳感器和B&K TYPE 3050-B-060數(shù)采設(shè)備采集電機(jī)軸承處振動(dòng)數(shù)據(jù)，一次積分并做頻域變換后得到軸向振速頻譜圖，如圖6所示。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 490 r/min，轉(zhuǎn)頻為24.83 Hz，頻譜圖中3倍頻較大，1倍頻幅值超過(guò)1.2 mm/s，且高次諧波明顯。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員描述和現(xiàn)場(chǎng)噪聲情況，推斷轉(zhuǎn)子不平衡量較大，且電機(jī)存在明顯軸向沖擊；結(jié)合磁力中心線(xiàn)監(jiān)測(cè)時(shí)出現(xiàn)的明顯軸向跳動(dòng)，推斷軸向沖擊原因可能為磁力中心線(xiàn)軸向不對(duì)中所致。

圖6 軸向振速頻譜分析(500 Hz以?xún)?nèi))

現(xiàn)場(chǎng)檢查，拆除軸承端蓋，做轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡并重新調(diào)整定轉(zhuǎn)子軸向幾何中心和軸向安裝后，電機(jī)軸向振動(dòng)明顯下降。

4 結(jié)論

基于激光三角測(cè)量法的激光位移傳感器可以將電機(jī)磁力中心線(xiàn)的測(cè)量精度提升至0.2 mm以上，并可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量，提升了測(cè)量的安全性。高精度的激光位移傳感器可以用于監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向跳動(dòng)，輔助診斷電機(jī)軸向振動(dòng)故障。