康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

技术与安全知识

康明斯柴油发电机组轴对准和热膨胀

 

摘要：随着重工业的大力发展，生产规模日趋大型化，柴油发电机组不断朝着大体积、高参数、高速度、高负载的方向发展。大型柴油发电机组一般都由轴系来传递动力，由主轴带动从动轴旋转，用来充当传递力矩、输出动力的关键部件。康明斯公司在本文中针对大型柴油发电机组的对中问题和常用的对中方法及适用范围进行了全面分析，并通过轴系对正计算公式测算，最后建议主机厂采用激光对中仪进行大型发电机组轴系对中，测量精度高、操作简便、适用面广。

 

一、轴系对中的基本知识

 

1、对准

      轴对准是指将两个或多个轴在特定公差范围内令人满意地相互连接的过程。对于发电机组，柴油机和交流发电机必须正确对准，以确保长和使用寿命。

      轴错位是与旋转机械故障相关的所有成本的50%。当耦合时，柴油机主要被定义为参考点，而对准调整通常是在交流发电机上进行的。对准对发电机组的运行特性和使用寿命至关重要，工作振动、橡胶联轴器工作温度、轴承可用性和发电机转子对准（气隙）是容易导致不对准的区域。

     根据发电机组的设计，需要各种确保对准的方法；单轴承交流发电机和紧密耦合的双轴承交流发电机依靠飞轮壳提供轴对准（如图1所示）。开放式耦合的双轴承交流发电机依赖于精确的轴对准程序。通常，橡胶联轴器制造商将有需要遵守的最大的偏差公差。此外，还需要考虑工作温度和轴中心高度，以尽量减少工作条件下的径向偏差。表1提供了不同速度下径向偏差的推荐最大值。

表1    根据工作速度推荐的径向对准偏移量

 

2、热膨胀

       在正常运行期间，交流发电机内部的温度会显著升高。用于建造交流发电机的材料，如铜、电钢、铁和铝，将随着温度的升高而膨胀。总的来说，在运行期间，交流发电机的水平和垂直尺寸都会增大。增长幅度可能很小，但也可能很显著。因此，有必要对真实的对准进行热补偿，即长度的增加(∆L)，如图1所示。根据安装布置的类型和基底机架的设计，可能需要补偿交流发电机/发动机的轴向热膨胀。 

      长度∆L的变化取决于温度的变化，∆T=T_f -T_i；棒L0的初始长度；一个常数是被加热材料的特性。实验观测到的∆L和L0∆t之间的线性关系可以用方程来表示：

 ΔL=L0Δt

      式中，α为线性膨胀系数（10×10-6K-1）；T_f 是最终温度 (°K)；T_i 是初始温度 (mm)。

（1）轴向热膨胀

      以下公式可用于计算交流发电机的轴向热膨胀率

∆L = α ∗ ∆T ∗ L 

      式中，ΔL为热膨胀系数(mm)；α为线性膨胀系数（10×10-6K-1）；ΔT是对准温度和预期的工作温度之间的温差(°K)；L是从固定轴承到轴驱动端的距离(mm)。

（2）垂直热膨胀

      交流发电机的垂直热膨胀可以用底座和轴的中心之间的距离来近似地计算出来，如下一页的图3所示。以下公式可用于计算交流发电机的垂直热膨胀率：

∆H = α ∗ ∆T ∗ H

      式中，ΔH为热膨胀系数(mm)；α为热膨胀系数（10×10-6K-1）；ΔT是对准温度和预期的工作温度之间的温差(°K)；H为轴的高度(mm)。

 

图1  柴油机发电机飞轮孔对中检查方法	图2  一个对象的典型线性展开
图3  柴油机轴向热膨胀曲线图	图4  柴油机垂直热膨胀曲线图

 

二、轴不对中常见情况

 

      轴不对中情况如图5所示。两轴的旋转中心在同一条直线上称之为对中，若不在同一直线上称为不对中，在对中的过程中存在着两个潜在的平面：水平平面和垂直平面。轴系的不对中通常会有以下几种情况出现：

1、平行偏移

      两孔或两轴的端面平行，中心线平行但是不在同一直线上，两中心线之间的径向距离为△h。如图5（a）所示。

2、角度偏差

      两孔或两轴端面不平行，中心线的延长线互相交叉，交点落在主轴中心线上，两中心线之间存在角度偏差△a。如图5（b）所示。

3、角度和平行偏差结合

      两孔或两轴的端面不平行，且两者中心线延长线的交点也不在主轴中心线上，此时两者既有角度偏差也有平行偏移。如图5（c）所示。

4、完全对中

      两孔或两轴同心且中心线重合，是理想的对中状态。如图5（d）所示。

      当两孔或两轴出现以上几种情况的偏差时，需要对轴系进行对中调整，对于大型发电机组，一般通过调整机器支脚处垫片的厚度，使得△h和△a消失，达到完全对中。如图6所示。

 

图5  柴油发电机轴不对中情况示意图

图6  柴油发电机完全对中标准示意图

 

三、轴与轴的对中方法

 

      大型旋转设备发电机组轴线跨度很长，有些超过10 m，如柴油机转子和发电机转子对中，这些设备的从动轴和主动轴在安装维修对中操作时，由于跨度长，在对中操作和计算调整量的时候比较复杂，由于设备转速高，对精度的要求也很高。轴对中一般有直尺、塞尺法，千分表法以及激光对中仪测量法。

1、直尺、塞尺法

（1）直尺法将直尺水平放置在联轴器上，观察两轴线的平行偏移量，如图7所示。

（2）塞尺法是用塞尺测量联轴器四周的缝隙值是否相同，从而判断两轴线的角度偏差，而人眼的分辨率只能达到0.1mm。这种方法的优点是测量方法比较简单，但是精确度不高，只适用于对中精度要求不高的低转速、小功率的机器，难以满足大型发电机组的对中要求。

2、千分表法

      千分表法一般分为双表法、三表法和单表法，测量工具安装方法如图8所示。

（1）双表法

      双表法由对中支架支撑两块千分表，分别置于联轴器的外圆周及端面，测量时，分别在联轴器端面0°，90°，180°，270°的4个固定位置做上标记，两轴同时转动一周，记录两块千分表在4个固定位置的读数，通过分析计算，就可以测量出从动轴相对于主动轴的平行偏移和角度偏差。测量原理如图9所示。

（2）三表法

      三表法和双表法类似，在双表法的基础上，在联轴器的端面增加了一块表测量角度偏差，两块表在测量位置上相差180°，测量方法同双表法，测量联轴器端面的两表读数相减就可以消除轴向窜动带来的测量误差。测量原理如图10所示。

（3）单表法

      单表法只需要使用一块千分表分别交替安装在联轴器两侧的外圆周上，两轴同时转动或者分别转动，记录间隔90°的4个固定位置时千分表的读数，通过计算或作图分析，得出平行和角度偏差量，确定调整方案。测量原理如图11所示。

      双表法受轴向窜动的影响较大，精度不高，适用于轴向窜动比较小的设备。三表法的精度很高，但是操作和计算方法比较复杂，在对中要求较高的精密设备和高速旋转的大型发电机组中常用，单表法在操作和计算上比三表法要简单一些，又能达到比较好的精度，应用场合更广泛一些。但是千分表法对操作人员的要求非常高，需要专业的技术人员才能完成，费时费力，通常需要反复测量才能得到满意的结果，而且千分表法要求轴系要转动360°，记录每隔90°的4个位置上的千分表读数，对于一些两轴无法同时转动大型轴系，无法完成测量。

3、激光对中法

      激光对中仪主要由激光发射装置、激光接收装置、控制显示设备以及各种支架连接设备组成，如图12所示。

      将发射装置以及接收装置分别用磁力座或链条安装在从动轴和主动轴上，由发射装置发射出一束准直激光射入接收装置上的位置敏感探测器(PSD)上，激光打到PSD的不同位置会输出不同的电流，两轴同时转动一定角度，检测激光在PSD上的位置变化，操作完成后，通过内置程序计算，在短时间内便可得出平行偏差和角度偏差。

      并在显示屏上以图像及数字的形式显示出对中结果，对中是否理想以及如何进行调整。对于不能转动一周的轴，最少需要转动60°，便可以进行对中测试，由于激光对中仪内置倾角测量装置，所以对角度和测量点没有严格的要求，在任意角度测量6个以上的点即可，测量点数越多，覆盖角度越广，测量的准确度越高。激光对中的优点在于对中精度高，可达到0.001 mm，由于激光具有准直性，不受重力影响，测量距离可达到10 m以上。

 

图7  直尺塞尺法测量对中原理	图8  柴油机对中千分表安装	图9  双表法测量对中原理
图10  三表法测量对中原理	图11  单表法测量对中原理	图12  激光对中仪测量原理

 

总结：

      很多康明斯主机厂还在使用以往的直观法来对柴油发电机校准，这种方法通过肉眼观察来对准轴线。使用直尺、线或激光指示器等工具，观察轴承或机器部件之间的对齐情况。尽管这种方法可能相对简单，但精度较低，容易受到主观因素的影响。因此，康明斯公司推荐主机厂改用激光对正法为妥，激光对中仪器通常被认为是最精确和相对快速的轴对中方法。它提供实时数据，允许操作者直接进行微小调整，以便使轴线精确对准。这种方法的优点在于高精度、快速且减少了人为误差的可能性。

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