レーザーアライメントを使用して垂直シャフトの鉛直性を実現する方法

従来、垂直水車/発電機シャフトの鉛直度測定では、シャフトの長さに沿って一連のワイヤーをひもでつなぎ、ワイヤーの端に重りを取り付け、電子マイクロメーターを使用してワイヤーからシャフトまでのスペースを測定していました。 。この方法は安価で長年使用されてきましたが、正確な分解能を実現するには、シャフトの長い長さにアクセスする必要がありました。また、測定には、シャフトのさまざまな高さでワイヤーとシャフトの間の距離を物理的に測定することが含まれ、測定に必要な時間と人員が増加します。

Ludeca Inc.は、時間のかかるワイヤー方式に代わるレーザーベースのシステムでの経験を紹介します。ワイヤー測定法の場合にかかる時間の何分の1かで測定を実行できるようになりました。 PERMAPLUMBとして知られるLudecaの測定システムは、クラス1のレーザービームを検出器に反射する、常に地球に垂直な自動調整式の機械式ミラーを使用しています。シャフトに沿って必要な軸方向のスペースはわずか14インチです。ミラーとトランスデューサーは、タービンシャフトの磁石を使用するブラケットによって取り付けられています。単一の270度のシャフト回転から、システムは角度と修正動作を計算して表示し、データの統計的品質測定を提供します。 「移動」機能により、修正が行われているときに修正を監視できます。解像度は1フィートあたり0.00002インチよりも優れており、NEMAで要求されるよりも正確です。システムは振動の影響を受けないため、隣接するタービンも稼働し続けることができます。

はじめに
鉛直性は、回転する中心線と重力の関係です。これは、中心線の垂直性と考えることができます。実際には、垂直ハイドロシャフト測定では、図に示すように、定量化された係数が完全な垂直との差であるため、実際に測定されているのは「非鉛直」です。

図1.下げ振り線との関係におけるシャフトの回転中心線

ふくよかさは角度で表されます。角度が小さいため、角度の傾き、つまり変化率は、度やラジアンよりも適切な表現形式です。垂直ハイドロシャフトに関連するこのパラメータの最も一般的な表現単位は、1フィートあたり1000分の1インチ、または1インチあたり1000分の1インチです。ふくよかさは2つの平面で測定されます。シャフトを見下ろしている場合、測定の2つの平面は、0度から180度の平面と90度から270度の平面になります。

垂直ハイドロシャフトアプリケーションで鉛直性を実現することは、適切な操作に不可欠です。精密な鉛直性は、ベアリングの温度を下げ、シャフトの動きを減らし、振動を減らし、効率を向上させるのに役立ちます。スケジューリングの観点から、これを最小限の時間で正確に達成することは、お金を節約するために不可欠です。

ふくよかさの測定
鉛直度の測定には、タイトワイヤー、レーザー、光学系の使用など、さまざまな方法があります。タイトワイヤーは最も一般的に使用される方法であり、最も安価な方法でもあります。

4本のタイトワイヤーが垂直ハイドロシャフトの長さに沿って垂直に張られています。通常、直径0.020〜0.030インチの非磁性ステンレス鋼が使用されます。マイクロメータに必要な最小範囲を確保するために、ワイヤはシャフトからほぼ等距離に配置されます。各ワイヤーは、ハイドロシャフトの周りに互いに90度の間隔で配置されています。 20〜30ポンドのひれ付きの重りが各ワイヤーの端に吊り下げられ、ワイヤーの動きと振動を抑えるために油浴に沈められます。

電気マイクロメータは、ハイドロシャフトとワイヤーの間の距離を測定します。マイクロメータが接触すると電気回路が完成するように、ワイヤとハイドロシャフトが電気的に接続されています。これにより、電子聴覚トーンがアクティブになり、マイクロメータの前進を停止するタイミングがユーザーに通知されます。図2に示すように、タイトワイヤーとハイドロシャフトの間の相対位置を確立するために、シャフトに沿ったポイントで読み取りが行われます。

図2.タイトワイヤーの鉛直測定の概念

タイトワイヤー方式は、低コストで直感的な設定ができる点で優れています。ただし、これは、測定プロセスに伴うエラーを減らすために「細部への注意」が最も重要な測定です。

測定プロセス中に振動が実質的に存在しないことを確認することが重要です。測定中のタイトワイヤーの乱れは、測定値の精度を歪めます。場合によっては、測定プロセスが実行されている間、隣接する水力発電ユニットが稼働し続けます。測定プロセスのためにユニットが強制的にシャットダウンされた場合、それらのタービンの運転による収益の損失が発生します。さらに、測定の近くで他のプロジェクトが実行されている場合、特に修理やオーバーホール中に、ワイヤーが物理的に乱れる可能性が高くなります。

技術者は、測定が一貫して正確に実行されるように注意する必要があります。測定される表面は高品質であり、シャフトまたはカップリングの同心性を表すものであると想定されています。シャフトの真円度、くぼみ、さび、または汚れは、読み取りの精度に影響を与える可能性があります。マイクロメータの読み取り値の変動は、マイクロメータの前進を停止してタイトワイヤに触れるタイミングに応じて、人によって異なります。

より長い軸方向の長さが測定されると、タイトワイヤの読み取りの精度が向上します。これは、達成可能な最長距離までタイトワイヤーをひもでつなぐことが望ましいことを意味します。これは、より多くのシャフトが測定手順専用であることも意味します。したがって、マイクロメータのオペレータは、シャフトの長さの上下の測定ポイントまでさらに距離を移動する必要があります。そうでない場合は、追加のオペレータを使用する必要があります。読み取りが行われたら、データはオペレーターまたはデータの評価担当者が正確に記録する必要があります。

タイトワイヤ測定には、測定プロセスから厳密にエラーを引き起こす可能性があるだけでなく、測定に必要な時間とスペースを長くする多くの要因があることは明らかです。生産性の向上を実現するには、測定プロセスからの人的要素を減らし、シャフト上で測定する必要のある領域の量を減らし、測定値の取得と修正の実行に必要な時間を減らす必要があります。

レーザーベースの鉛直測定方法
PERMAPLUMBシステムは、レーザーベースの鉛直度測定ツールです。データ取得にレーザーとコンピューターを使用することにより、測定プロセスから人的要素を取り除くことにより、タイトワイヤー方式の多くの制限を回避します。これは、測定の精度がユーザーに依存しないようにするのに役立ちます。さらに、PERMAPLUMBシステムは、タイトワイヤー/マイクロメーター法で得られる測定分解能よりも1桁優れた測定分解能を提供します。また、システムは簡単にセットアップでき、必要に応じてアライメントの読み取りを迅速に行うため、測定プロセスに費やす時間を短縮できます。

このシステムは、図3に示すように、長さがわずか14インチのコンパクトな磁気ブラケットに取り付けられたレーザーとミラーで構成されています。

図3.PERMAPLUMBと14インチブラケット

図4に示すように、レーザートランスデューサーはブラケットに取り付けられています。

図4.Permaplumbブラケットに取り付けられたレーザートランスデューサー

ビームは、ブラケットの下部にあるセルフレベリングミラーで反射され、レーザートランスデューサー内にある1ミクロンの解像度の検出器に戻ります。図5に示すように、ミラーの2軸ピボットポイントにより、ミラーの表面は常に地平線に対して相対的な垂直度を維持します。

図5.自動調整ミラーアセンブリ

鉛直度は、図6に示すように、統合された磁気脚を使用してシステムを垂直シャフトに取り付け、シャフトを90度離して4つの位置に回転させるだけで測定されます。 90度の位置。最後の測定が行われた後、鉛直度の結果をコンピューターで表示できます。プラムネスの修正は、通常、スラストベアリングを軸方向に移動（シミング）するか、スラストベアリングを平行移動（水平方向に移動）するという2つの方法のいずれかで行われます。 PERMAPLUMBは、補正値と、これら2つのアプローチのいずれか（または両方）の補正をリアルタイムで監視するためのライブ「移動」機能を提供します。

図6.PERMAPLUMBをハイドロシャフトに取り付ける

PERMAPLUMBを使用した垂直ハイドロシャフトアライメント
PERMAPLUMBシステムは、垂直シャフトの鉛直測定を必要とする手順に簡単に統合できます。シャフトは回転するため、回転中に障害物や干渉が発生しないようにする要因を考慮する必要があります。これには、シャフトをこすらずに回転できるように、調整可能なベアリングシューをバックオフすることが含まれます。

標準的なチェックと安全手順は、常に測定プロセスの前に実行する必要があります。このようなチェックには、シャフトに「ドッグレッグ」または振れが存在しないことの確認が含まれます。ダイヤルゲージまたは近接プローブをシャフトに沿ったさまざまな位置に取り付けて、そのような問題が存在するかどうか、および鉛直度の測定と修正の前および/または後に対処する必要があるかどうかをすばやく判断できます。近接プローブは高い精度を実現し、ダイヤルゲージよりもシャフト表面の仕上げの不正確さの影響を受けにくくなっています。シャフトの1回転でデータを取得できるため、「ドッグレッグ」と振れの問題を修正および検出するプロセスが高速化されます。

スラストベアリングのすべてのパッドが均等に負荷されるようにする必要があります。使用しているスラストベアリングの種類に応じて、さまざまな手順があります。方法は、「スラグアーク」法から、ロードセルを調整可能な靴に統合するより高度で時間節約の方法にまで及びます。ほとんどの場合、シャフトの配管と負荷の均等化は、修正間で密接に関連しています。

測定は、PERMAPLUMBシステムをハイドロシャフトの長さに沿った任意の領域に取り付けることから始まります。図7に示すように、アクセスするのに最も簡単な領域は、通常、タービンの上のデッキです。

図7.ハイドロシャフトに取り付けられたPERMAPLUMBシステム

次に、システムはラップトップコンピューターと電源に接続されます。

寸法とパラメータは、WinPLUMBソフトウェアパッケージに入力されています。このような寸法には、図8に示すように、スラストベアリングを修正するためのスラストベアリングデータ、上下のガイドベアリングでのシャフト位置を監視するための変換データ、およびシャフトが公差まで配管されたときの決定に役立つ公差が含まれます。

図8.WinPLUMBソフトウェアへの寸法、公差、およびターゲットの入力

寸法を入力したら、測定を行います。これは、高圧潤滑システムをオンにし、シャフトに取り付けられたPERMAPLUMBシステムを指定された「0」度の位置に回転させることから始まります。次に、高圧潤滑システムが非アクティブ化され、シャフトが落ち着きます。これは、最初の測定ポイントが取得される場所です。その後、高圧潤滑システムが再び作動し、シャフトが270度回転する次の3つのポイントでこのプロセスが繰り返されます。

達成された結果（図9を参照）は、1インチあたりのミルでの鉛直性の結果を表示します。 0.25ミル/フィートのNEMA許容値が許容値関数に入力され（0.0208ミル/インチとして）、システムが許容値が達成されたかどうかを示すことができます。測定分解能は1フィートあたり0.00002インチよりも優れており、NEMAが要求する許容誤差よりもはるかに優れています。

図9.結果画面

スラストベアリングパッドの修正が必要な場合、PERMAPLUMBは、図10に示すように、公差を達成するために各パッドを上（または下）に移動する量を提供します。ソフトウェアの特別な機能により、「パッドの上下」も可能です。これにより、シャフトの高さを変更せずに鉛直性を実現するために、パッドの高さを加算および減算するための最適化された補正が得られます。

図10.各靴のスラストベアリングの修正

パッドの修正が行われ、シャフトが再測定されて、鉛直性が確認されます。必要に応じて、プロセス全体を「ライブ」で測定できます。図11に示すように、特別な「ライブムーブ」モードがアクティブになり、修正が行われているときにハイドロシャフトの鉛直状態を継続的に更新します。これにより、実際の鉛直値が更新されるだけでなく、予測されるスラストベアリングパッドの修正も継続的に更新されます。上下のガイドベアリングでシャフト位置が変化します。スラストベアリング自体を変換する必要がある状況については、プランブネスを継続的に監視できます。

「ライブ移動」モードは、移動中に干渉することなく修正が行われるようにする場合に特に便利です。シャフトがガイドベアリングに接触したり、再配置中に邪魔になったりした場合、これはこのモードで明らかになります。

図11.「ライブ移動」モード

測定プロセス中の測定精度の保証は非常に重要です。収集されたデータは、修正を実行して結果を検証するために信頼する必要があります。データ収集プロセス中に、測定ポイントごとに1秒あたり32回の読み取り値のサンプルを収集できます。ユーザーは、最大204秒まで、測定ポイントごとに収集するデータの秒数を選択できます。これは、測定中に振動が問題になる可能性がある場合に非常に役立ちます。これは通常、測定プロセス中に隣接するタービンが稼働している場合に当てはまります。

「標準偏差」表示により、選択した測定期間で安定したデータが作成され、振動の問題を克服できます。これは、測定時間を最小限に抑えながら、安定した測定を作成するためにデータ収集に必要な最適な時間を見つけるのに役立ちます。

また、4点回転により測定精度を確保しています。 「サーキュラーコンプリーション」と呼ばれる特別な機能により、ハイドロシャフトが干渉なしで軸を中心に回転します。これにより、4つのポイントでの読み取り値が、0度と180度の読み取り値の合計が90度と270度の読み取り値の合計に等しくなるという式に従うことが保証されます。測定中にその式に違反した場合、この違反が発生した程度を示す循環完了エラーが発生します。生の検出器データの0.2以下の値は、適切な読み取り値と見なされます。この機能は、測定中にシャフト干渉の問題が発生したかどうかを示します

標準的な測定プロセスとして、測定の再現性は不可欠です。 PERMAPLUMBは、以前の測定値を現在の測定値と比較できるようにする再現性機能を備えています。繰り返し可能な測定により、「見えるものが実際のものである」ことが保証されます。

PERMAPLUMBによる再現性チェックは、シャフトの剛性を確認するためにも使用できます。完全に剛性のあるシャフトは、システムがハイドロシャフトのどこに取り付けられていても、PERMAPLUMBと同じ鉛直度の読み取り値を作成します。ソリッドカップリングで接続された2本のシャフト間の剛性を検査できます。

次に、これがどのように行われるかを説明します。再現性を確立するために、結合の下で鉛直度を少なくとも2回測定します。次に、再現性を確保するために、カップリングの上で再度2回、プランブネスを測定します。次に、カップリングの上下で行われた測定間の結果を比較して、剛性を確立します。 1インチあたり0.004ミルを超える結果の違いは、剛性の欠如と見なされます。

結論
鉛直度の測定を最短時間で高精度で実行できることは、短期的には時間の節約になり、長期的には耐用年数と効率が向上するという利点があります。迅速なセットアップ、信頼性、振動に対する耐性、精度、および時間の節約はすべて、PERMAPLUMBシステムを鉛直測定に理想的なものにする要因です。

作者について
Daus Studenbergは、フロリダ州マイアミにあるLudeca Inc.のアプリケーションエンジニアです。フロリダ大学で機械工学の学士号を取得しています。 Ludecaでの彼の責任には、フィールドサービス、技術サポート、トレーニング、および製品開発が含まれます。この記事に関する質問は、Daus.Studenberg @ ludeca.comに送信できます。

PERMAPLUMBシステムの詳細については、次のURLを参照してください。

http://www.ludeca.com/prod_permaplumb.php

http://www.ludeca.com/prod_winplumb.php