中冶宝钢技术服务有限公司
摘要：目前，国内在设备安装、检修所使用的技术工具远落后于国外，仍停留在80年代的水平，许多常用工具都还停留在表盘、指针式阶段。随着科技的飞速发展，技术交流变得尤其重要，数字式的检测工具在我国也越来越受到重视。在检修和安装过程中有一道最常用、最具技术含量的工序就是“定心”，既测量电机与联轴器的同心度偏差值，并将它调整到位，目前所采用的测量方法是用常规百分表、塞尺等基本工具，因其精度要求高，需多次测量，反复调整，所以每次都要耗时很久，本设计为了提高检修工作的效率，并保证测量值的精准性，将其传统测量方法用现代数字测量法代替，即用数字百分表直接测得偏差值，后通过自行编制的程序运行后直接得出所需调整数据，让此工序一步到位，既可以减少现场劳动强度，缩短劳动时间，又可以节约生产线停机时间。
关键词：定心 数字 找正
1 引言
1.1“定心”的概念及其作用
在机械设备安装和检修过程中，“定心”是一道常用工序，主要用于联轴器的安装和调整。所谓“定心”，既是测量电机与联轴器的同心度偏差值，并将其调整到位，它是安装、调整过程中的一个重要环节，当联轴器和电机同心度不一致时，会引起轴和联轴器之间很大的应力，增加轴承的受力，严重时会影响到轴承和其它零件的正常运转，使其过早地发生损坏，缩短了各部件的使用寿命；除此之外，同心度不对中还会使联轴节处磨擦增大，导致机器的能源使用效率显著下降，提高运营成本；此外机组在振动过大的情况下运转，不仅会造成机器零部件的损坏，还可能会发生严重的毁机事故，更甚至会造成人员伤亡。美国MONSANTO化工公司在5年的振动实践中发现，轴系故障60%源于转子不对中。由此可见，定心在机械设备安装和检修作业中扮演者十分重要的角色。所谓定心就是通过联轴器的对中找正，使机组的各轴心线达到同轴的要求；消除各轴处不应有的机械应力，使机组安装或检修后，运转时各轴仍能保持合理的对中状态，从而保证机器能长期、平稳、正常地连续运转。
1.2 “定心”技术的现状及发展前景
目前，国内“定心”的方法很基本，就是采用指针式百分表、游标卡尺、塞尺等基础工具，将百分表用磁力表座固定在轴承上，分别测量电机轴端面和轴向面的上、下、左、右四个方向的数值，判断出径向和轴向的偏差，通过增、减电机底座的垫片来使两轴的中心线对中。按照现在基本的定心方式，不能一次到位，需要多次测量，反复调整，每次“定心”都得花费1～2个小时的时间，不仅如此，因其精度要求甚高，对操作人员的要求也相对苛刻，在我熟知的工作环境中，但凡担任此工作的都是高级钳工或是技师级别的人员。
由此看来，数字定心装置将会是一种发展趋势，其实在国外早已出现数字百分表和激光定心仪等高科技装置，但对于数字百分表才慢慢国产化的中国市场来说，还有一段路要走，本次设计的数字定心装置只是初级的数字化，但它足以将烦琐的“定心”过程转换成易于使用，并不需反复测量，可一步到位的简单操作。
数字定心装置的发展是必然的，它所代来的益处也是可以预见的：
1.高精度的校准减少了机器部件间的摩擦，从而降低了能耗。
2.由于机器长期处于良好的低能耗运行状态，减少甚至避免了意外事故的发生，机器寿命得以延长。
3.精确校准延长了机器维修时间间隔，相对延长了机器的生产运行时间，从而提高了生产效率。
4.精确校准使得下一次机器维修时间可以预测，而且减少了部件的损坏，由此备用部件可以有计划地按量采购，库存得以降低。
5.数字定心装置有数据处理能力，使用便捷，可确保一步到位，将人们从烦琐的劳动中解放出来，极大地降低了劳动强度，节省了劳动时间和劳动力。
6.能耗降低，机器寿命延长，库存减少，节省劳动力，直接降低了生产成本；生产效率提高，创造了更大的价值；机器长期处于良好运行状态下，可以生产出质量更好的产品或向客户提供更周到的服务，产生巨大的经济效益。
2“机械定心”的原理
2.1“定心”的机械原理及现用方法
在定心过程中可能出现以下四种情况（以凸缘联轴器为例）：第一种情况见图a），即两轴中心线完全重合，这是正常情况；第二种情况见图b），两轴中心线不重合，有径向位移，但两轴中心线是平行的；第三种情况见图c），两轴中心线在联轴器处共点，但不是一条线，相互之间有角位移；第四种情况见图d），它既有径向位移，又有角位移，实际上常常会遇到的就是这种情况。
国内现采用百分表检测联轴器对中找正的方法，其中单表定心法是机械安装及检修过程中普遍采用的一种方法。检测时一般以基准轴（传动轴）为准，通过轴向和端面偏差的一系列的检测，得出主轴和从动轴（固定轴）分别在两半联轴器的端面、轴向倾斜及径向位移的偏差，从而以检测数值确定出从动机各支脚处的调整量及调整方向，通过改变垫片的厚度，以使机组对中状况在允许偏差范围之内。 图示如下：
单表定心法就是将百分表固定在转动轴上，百分表分别打在从动轴（固定轴）的轴面上和端面上，具体方法如下：
1、先分别将两轴（A轴、B轴）的轴面和端面分成相隔90°的四个等分，并在90°、180°、270°和360°（0°）的四个位置做上标记，以免定心时产生错位，便于正确读数。如下图所示：
2、先将百分表的磁力表座固定在B轴转动轴上，装上百分表，使表的触头与从动轴A轴的外圆轴面上相接触，使其对准标记a1的位置。
3、按照轴的转动方向，缓慢地转动B轴，分别记录百分表在A轴联轴器轴面上测出的a1、a2、a3、a4四个读数，再调整百分表位置，将表的触头与从动轴A轴的端面相接处，使其对准b1的位置，缓慢的转动B轴，同样分别测得b1、b2、b3、b4四个读数。
4、在这两组数据中，通过a1、a2、b1、b2这四个读数可得出两轴的径向偏差，通过调整电机底座的地脚螺栓垫片使两轴的轴心线在同一水平面上。在通过a3、a4、b3、b4可得出两轴轴向偏差值，通过把紧地脚螺栓和大锤打击电机底座或是调节螺栓来使其轴向轴心线吻合。
单表法测量看似简单易操作，其实不然，在上述操作中很容易产生误差，尤其是读数时，百分表转动，操作人员人只能侧目读数，尤其是在180°的位置，又因现用百分表是指针式的，视线的角度使读数误差在不知不觉间形成，再者，测量工具在转动中位置可能会发生变动，也是造成读数误差的原因，故定心时一般都会分为初找（初步调整找正）和精找（精确调整找正），初找时根据读数大致估算下垫片的调整量，初步调整后使其偏差减小，再进行精找，精找过程中也会出现读数误差，为了保证定心精度，所以要反复测量调整。
2.2 读数值的判定方法
读数的精确性直接影响到测量的准确度，为了保证测量时不产生较大的误差，看读数是否满足如下恒等式来判断：
a1+a2＝a3+a4；
b1+b2＝b3+b4。
如实际测得数值代如恒等式不等，而有较大的偏差（大于0.002mm），可以确定所进行的测量中，必然有一次或几次是错误的。
现来先分析下a1+a2＝a3+a4的原因，如下图所示：
图中：O1、O2分别是两联轴器的中心线；
L为凸轴的半径；
L’为O2轴轴面端点到其中心线的垂直距离；
α是O2轴中心线与水平O1中心线的夹角；
δ为两轴中心线的径向偏差；
a1、a2分别为百分表在轴面0°（360°）和180°位置上的读数。
由图示可知：
a1+L＝L’+δ
得出：a1＝L’－L+δ
又 L＝a2+L’－δ
得出：a2＝L－L’+δ
故 a1+a2＝2δ
δ是两联轴器中心线的径向偏差，不会因旋转而变动，所以不论任何位置为起点，只要相差180°所测量的两个径向间隙的和总是相等的。
如此再来分析下b1+b2＝b3+b4的原因，如下图所示：
图中：O1、O2分别是两轴的中心点，O1O2是两轴中心连线；
β是O2轴端面与垂线的夹角；
σ是O1O2连线与水平面的夹角
L’为O2轴端面定点顶点到其中心线的距离；
b1、b2分别为百分表在端面0°（360°）和180°位置上的读数。
由图可知：b1＝O1O2cosσ－L’cosβ
b2＝O1O2cosσ+ L’cosβ
故 b1+b2＝2O1O2cosσ
O1O2是旋转时两轴中心点轨迹所形成的连线，σ是交点O1O2的连线与水平面形成的夹角，他们的数值都与旋转无关，所以在相差180°的位置所测的轴向间隙和总是相等的。
以上论证的两个恒等式是在定心过程中常用的避免较大读数误差、保证定心精度的一种方法。
2.3 “定心”的数学原理及实例分析
数字定心实际上就是将定心中的数据通过数学方式处理，直接得出定心所要的结果，不用反复测量，只需在调整完毕后，进行再次测量，核查结果是否符合就可以了，下面将举实例介绍定心中的数学原理，如图所示：
由图2.2-1所知，地脚螺栓1和2的距离为L＝3000mm，地脚螺栓1到A轴测量平面之间的距离为l＝500mm，A轴直径D＝400mm。定心时所测得的径向间隙和轴向间隙如图2.2-2所示，要使两轴同心度在同一水平线上就要调整地脚螺栓1和2底部所要加或减的垫片厚度，使其分别到达3和5的位置。
由图2.2-2中，在0°和180°两个位置上的径向间隙a1<a2、轴向间隙b1<b2，可见两轴既不平行也不同心，首先使两轴中心线平行，即调整地脚螺栓2，减去一定的垫片厚度使其达到4的位置，设其减去的垫片厚度为x。由三角形相似可以得出下式：
x λ
L D
其中λ是A轴上下顶端垂线和底端垂线间的距离，
λ＝b2－b1
＝0.42mm－0.10mm
＝0.32mm
又已知D＝400mm、L＝3000mm
得出：x＝2.4mm。
当地脚螺栓2减去2.4mm厚度的垫片时，位置到达4处，此时A轴中心线与和B轴中心线已平行，但A轴仍高出（y+e）mm，同样利用三角形相似原理得出下式：
y l
x L
已求出x＝2.4mm，又知L＝3000mm、l＝500mm
得出：y＝0.4mm
e为两轴中心线径向方向的偏差，根据图2.2-2的数据可以求出
e＝（a1+a2）/2
＝（0.44+0.04）/2
＝0.24mm
故 y+e＝0.4+0.24
＝0.64mm
所以要使两联轴器同心，必须使地脚螺栓1和2同时再减去厚度为0.64mm的垫片。
由此可见，为了使两联轴器既平行又同心，则要在地脚螺栓1底部减去厚度为0.64mm的垫片，在地脚螺栓2底部减去厚度为（x+y+e）＝2.4+0.64＝3.04mm的垫片。
从上述实例中可以看出，是否加减垫片取决于a1、a2、b1、b2，而两轴中心线之间的径向位移e和偏移轴地脚螺栓1到本轴中心线的径向位移以及地脚螺栓2到地脚螺栓1的径向位移决定了垫片增减的量值，由这些已知条件还可以判断出除例题外的其他几种情况（在下一章节中详细介绍），均可用相似三角法进行计算得出数值。
当然，通过地脚螺栓垫片的增减只能保证两轴调整至同一水平面上，即在主视图上他们是在同一直线上，但在俯视图上看他们仍有可能存在角度和位移，所以在调整完地脚螺栓垫片的增减后，还要根据具体情况进行水平面上的同心度的调整，因其调整方法无法具体量化实现，只能依靠大锤打击底座或是调整螺栓来完成。
§3程序设计
§3.1 “定心”偏差情况分析
在上一章节中详细介绍了定心的原理，并举例分析了定心的步骤及其计算方法，可以看出，整个定心过程是靠地脚螺栓底部加减垫片来调整的，而地脚螺栓是否加减垫片与参数x、y、e有着密切的联系，我们可以先通过a1、a2、b1、b2的读数来判定轴的偏移方向，然后再根据x、y、e的数值进行分析，得出两轴偏差大致可分为八种情况，如下表所示（表中示图的前后两个“△”符号分别表示地脚螺栓1和地脚螺栓2；“x”为地脚螺栓2到地脚螺栓1的垂直距离；“y”表示地脚螺栓1到相对参照轴轴心线的垂直距离；“e”则表示两轴轴心线之间的径向位移）：
上表中详细罗列了八种偏差情况以及各种参数的关系和其所对应的判定结果，为程序的编制提供了很好的平台。
3.2 程序流程图
由于篇幅限制，本论文不再详细介绍编制程序，仅把程序流程图进行介绍。
根据表3-1的分析，以及上一章节中所举实例的计算方法，编制程序流程图如下：
从流程图中可以看出，此程序要经过多重选择才能达到最终结果，为了便于程序的运行，在判断a1、a2之后，将以后的操作均以子程序的形式出现，也就是说，当a1>a2时，如果是真，则调用h子程序的来进行一下的运算，其结果就会出现h1、h2、h3三种可能性，反之则调用m子程序，出现另种结果m；同理，当a1<a2时，如果是真，则调用n子程序，其结果就会出现n1、n2、n3三种可能性，反之则调用p子程序，出现另种结果p。
4工程应用
4.1工程实例
在宝钢技改工程冷轧厂1420内欠仪2-1张力辊电机定心的过程中，使用了本次设计的程序，首先测量了地脚螺栓之间的距离L=800mm，地脚螺栓1到联轴器测量平面之间的距离l=320mm，联轴器的直径D=150mm，用百分表测得a1=0，a2=0.04，b1=0，b2=-0.02，依次将数据输入到程序当中运行得出支脚1增加0.02mm厚度的垫片，支脚2增加0.13mm厚度的垫片。在调整好垫片后，打表显示两轴中心线在同一水平面上的径向偏差均在±0.05mm之内。垫片调整好之后，用顶丝将其水平面上的角度和位移调整至范围之内，把紧地脚螺栓后再打表测量下，均在精度要求之内。
4.2应用范围
本次程序的设计主要应用在精度要求控制在±0.05mm之内的联轴器定心，因为它只是一个电脑程序而非实体仪器，所以局限性还是很大的，如遇到近距离的定心情况，百分表不好使用，则换成量块、塞尺；如遇距离稍远百分表够不到的情况，则可以安装假轴再进行测量。
5结束语
本文在了解国内定心现状的基础上，详细介绍了机械定心的原理，并介绍了一种数字定心装置的设计与应用。本设计能够提高检修工作的效率，并保证测量值的精准性，将其传统测量方法用现代数字测量法代替让此工序一步到位，既减少了检修时间，又可提高生产线经济效益。
参考文献：
[1]何焯，机械设备安装工程便携手册，北京，机械工业出版社，2002
[2]谭浩强，C程序设计（第二版），北京，清华大学出版社，1999
[3]李继浩，联轴器对中找正方法的探讨，北京，化工施工技术，2006
[4]潭浩强，C语言程序设计教程（第三版），北京，高等教育出版社，2006
[5]周师圣，机械维修与安装，北京，冶金工业出版社，2007
[6]林燕，现代科技信息检索，北京，机械工业出版社，2006
[7]成大光，机械设计图册，北京，化学工业出版社，2000
[8]廖宏亮，冶金机械安装与检修手册，北京，中国知识出版社，2007
论文作者:李岚岚,张红亲
论文发表刊物:《基层建设》2015年24期供稿
论文发表时间:2016/3/24
标签：联轴器论文; 地脚论文; 螺栓论文; 百分表论文; 中心线论文; 垫片论文; 读数论文; 《基层建设》2015年24期供稿论文;