董云濱海工英派爾工程有限公司，山東青島 266061

基于激光對中儀直線度功能測量氣缸與十字頭滑道同軸度的方法研究

董云濱
海工英派爾工程有限公司，山東青島 266061

氣缸與十字頭滑道同軸度是往復式壓縮機安裝過程中重要的控制指標。傳統(tǒng)的拉鋼絲找正法十分繁瑣，限制條件較多，測量精度不易控制。激光對中儀雖然沒有測量同軸度的功能，但可利用其測量直線度的功能，成功測量滑道與氣缸同軸度。通過分析直線度測量方法，推導出氣缸與滑道同軸度測量原理，并以某大型改造項目2臺循環(huán)氫壓縮機組為例，具體說明了滑道與氣缸同軸度測量的操作步驟，包括：調整對中儀激光束、數(shù)據(jù)測量及計算、在CAD上畫同軸度偏差示意圖及“量出”同軸度數(shù)值。采用該方法在7臺機組共計18個氣缸中成功應用，測量氣缸與滑道同軸度累計用時約70 h，比傳統(tǒng)拉鋼絲找正法工作效率提高5倍多，取得了良好的效果，經(jīng)濟效益明顯，且經(jīng)過3年的運行考核，壓縮機組運行正常。

激光對中儀；往復式壓縮機；滑道與氣缸；直線度；同軸度

氣缸與十字頭滑道同軸度是往復式壓縮機安裝過程中重要的控制指標，如果不能保證汽缸與滑道同軸則很難保證活塞桿的跳動量，跳動量加大，引起壓縮機振動大，嚴重的會導致活塞桿斷裂。安裝過程中應以十字頭滑道中心線為基準來調整氣缸，使二者中心線處于同一直線上。過去一直采用“拉鋼絲找正法”，這種方法操作難度較大，測量精度和測量結果的重復性較差，人為因素引起的測量誤差難以估計，且費時費工，不適合于現(xiàn)場操作［1-2］。隨著技術的進步，越來越多的電子儀器在工程項目中得到了應用，激光對中儀多用于測量旋轉設備的軸對中，一般不能應用于同軸度測量［3］。

利用激光對中儀測量直線度的功能，通過測量和手工計算，成功開發(fā)出測量同軸度的功能，并在實際應用中得到了驗證。

1　構思原理

1.1基本理論

1.1.1激光對中儀測量直線度原理

激光對中儀有兩個量測單元（TD-S和TD-M），測量直線度時分別利用磁力座吸在被測物軸向不同位置。TD-S作激光發(fā)射器，固定在被測物一端；TD-M作探測器，接收TD-S發(fā)射的激光并顯示坐標數(shù)值。

測量過程如圖1所示，沿被測導軌移動TD-M，若每個點TD-M接收的光強信號相等，則表示導軌直線度好，否則表示存在誤差。激光光束發(fā)生的任何相對偏移，表明直線度偏差的狀況，顯示單元內(nèi)的程序根據(jù)這個相對移動量邏輯計算出直線度偏差的數(shù)值及所需的調整值［4］。激光對中儀可直接顯示出各個點的直線度坐標圖和數(shù)值，測量過程簡單快捷，不受人為干擾。

圖1　激光對中儀測量直線度功能

需要注意的是：TD-M接收激光，顯示的坐標數(shù)值是Y坐標。激光對中儀在使用任何功能時都不顯示X坐標數(shù)值，而且激光對中儀TD-M在X方向輕微偏一點，對Y坐標數(shù)值幾乎沒有影響。

1.1.2氣缸中心線相對激光距離的計算方法

如圖2所示，把TD-M分別固定在氣缸某一個截面的最下部和最上部，分別測出激光到氣缸下部的距離L1和到上部的距離L2，則可以計算出氣缸中心線在該截面處與激光的距離S。

若數(shù)值為正，表示汽缸中心線在激光發(fā)射器的上面；數(shù)值為負，表示汽缸中心線在激光發(fā)射器的下面。

圖2　　測量氣缸中心線與激光的距離示意

如圖3所示，假設TD-M窗口坐標原點距離磁力座底面的高度是A，TD-M窗口接收激光的坐標數(shù)據(jù)：氣缸下部是Y1、氣缸上部是Y2，則L1=A-Y1，L2=A-Y2，代入式（1）可得：

S=［（A-Y2）-（A-Y1）］/2=（Y1-Y2）/2（2）

圖3　　激光和氣缸中心線距離計算示意

1.2氣缸與滑道同軸度測量原理

1.2.1測量原理

如圖4所示，在滑道和氣缸前后端各選取兩個截面，分別測出滑道中心線和激光的距離S1、S2，氣缸中心線和激光的距離S3、S4［5］。因為激光是共同的基準，利用CAD軟件，根據(jù)S1、S2畫出滑道的中心線，根據(jù)S3、S4畫出氣缸的中心線，可以輕易“量出”滑道與氣缸中心線的徑向偏差和角度偏差。

1.2.2垂直方向同軸度測量

按上述方法測量和計算。

1.2.3水平方向同軸度測量

圖4　　測量滑道與氣缸同軸度示意

因為滑道不是一個整圓，分上下兩部分，所以水平方向無法直接測量，可借助已測的垂直方向同軸度數(shù)值和投影坐標系計算出水平坐標值［6］。如圖5所示，假設在偏角h的方向測量，根據(jù)已測的垂直方向測量數(shù)據(jù)，在CAD軟件上利用投影坐標系可以畫出滑道、氣缸中心線相對激光的真實空間方位，再“量出”水平坐標值即可。

圖5　　水平方向同軸度測量示意

繪圖步驟：

（1）激光設為坐標原點。畫出氣缸中心線垂直方向位置點A和中心線偏角h方向位置點B。

（2）分別通過A、B點做垂直線，兩條垂直線交于D點（D點即為該截面氣缸中心線相對激光的真實空間位置點）。

（3）通過D點做水平方向坐標的垂直線，交于E點，E點即為氣缸中心線水平方向投影的位置點，就是氣缸中心線水平方向和激光的距離。因而水平方向同軸度也可以測出。

需要注意的是：在測量直線度模式下，TD-M吸附在圓弧面上不同位置時可以顯示該位置的角度，精確度達0.1°，所以實踐中偏角h可以精確定位。

2　實際應用

本方法在某大型改造項目7臺對稱平衡式往復壓縮機組滑道與氣缸的同軸度測量中成功應用?，F(xiàn)以60萬t/a催化汽油選擇性加氫脫硫裝置的2臺循環(huán)氫壓縮機組為例（該壓縮機滑道公稱內(nèi)徑400 mm，氣缸公稱內(nèi)徑440 mm），具體說明滑道與氣缸同軸度測量的操作步驟。

2.1調整對中儀激光

調整激光的目的是盡量使激光與滑道和氣缸的中心線接近，否則，激光會偏出TD-M的接收窗口。

（1）首先調整激光發(fā)射器TD-S發(fā)射點的高度，把TD-S吸附在滑道的內(nèi)端固定點，TD-M吸附在滑道的界面1處，調整TD-S和TD-M中心高度約200 mm。

（2）調整TD-S激光使其打在TD-M接收器窗口中央，記錄坐標數(shù)值；把TD-S在滑道上后移，再一次記錄坐標數(shù)值；調整TD-S激光在垂直方向的發(fā)射方向，反復以上操作兩三次使前后兩次坐標數(shù)值盡量相同，目的是使激光與滑道盡量平行。

（3）TD-M分別吸附在滑道下部和上部，記錄坐標數(shù)值。激光與滑道中心線的距離S=（L2-L1）/2，調整TD-S磁力座架，使TD-S上移或下移S，目的是使激光與滑道中心線盡量同軸。

（4）在氣缸遠端處激光與氣缸中心線偏離較大。在界面3處調整TD-M窗口坐標原點距離磁力座底面高度220 mm，吸附在氣缸下部。由于TD-M窗口朝里，看不到激光打在TD-M接收鏡面的具體位置，可借助鏡子反射光線觀察。調整TD-S激光射向，使激光打在TD-M窗口中央；然后吸附在氣缸上部測量，激光與氣缸中心線的距離為S=（L2-L1）/2。調整：微調TD-S激光發(fā)射方向，使變化該計算距離。目的是使激光與氣缸中心線盡量同軸，保證激光打在TD-M窗口內(nèi)。

需要注意的是：TD-M吸附在下部或上部時，需要調整該位置角度至0°或180°。激光調整結束，當開始測量數(shù)據(jù)時，因為激光是共同的基準，不得做任何調整。

2.2測量數(shù)據(jù)并手工計算

如圖6所示，分別測量滑道和氣缸四個截面的激光坐標數(shù)據(jù)，每個截面測量垂直方向上下兩個數(shù)據(jù)和垂直方向順時針夾角30°方向上下兩個數(shù)據(jù)。為避免誤差，每個截面又多測量和垂直方向逆時針夾角30°方向上下兩個數(shù)據(jù)，作為備用。

往復式壓縮機安裝時，滑道水平度在二次灌漿后不可調整，氣缸水平度可以通過氣缸支撐下面的墊鐵組調整，要求氣缸水平度和滑道水平度相同且方向一致，機身軸向水平度宜高向氣缸端部，在此基礎上再測量滑道和氣缸的同軸度。

圖6　　滑道與氣缸同軸度實測示意

每個截面測量6個數(shù)據(jù)（Y1～Y6），四個截面共計24個數(shù)據(jù)。實測數(shù)據(jù)和根據(jù)CAD軟件“畫出”的計算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　滑道和氣缸截面測量數(shù)據(jù)/mm

以截面1為例，計算過程如下。

（1）滑道中心線垂直方向坐標=（Y1-Y2）/2= 0.272（mm）。

正值表示截面1處，滑道中心線在激光的上面。

（2）Y3-Y4方向，滑道中心線坐標=（Y3-Y4）/2 =0.571（mm）。

正值表示截面Y3-Y4處，滑道中心線在激光的上面。

（3）Y5-Y6方向，滑道中心線坐標=（Y5-Y6）/2 =-0.093（mm）。

負值表示截面Y5-Y6處，滑道中心線在激光的下面。

（4）在CAD軟件上繪圖，得到滑道中心線相對激光的真實的空間位置，通過投影得到滑道中心線水平方向坐標。

如圖7所示（為了觀圖方便，所有坐標值都已乘以100），圖中Y1-Y2和Y3-Y4足以確定滑道中心線相對激光的真實空間位置，Y5-Y6僅起驗證作用。三條線的交點就是“滑道中心線相對激光的真實位置”。

圖7　　截面1處滑道中心線相對激光坐標

還有一種驗證方法：測量結束后，在理論上應該符合下列公式Y1+Y2=Y3+Y4=Y5+Y6，這樣不需要測量Y5和Y6，只要測量數(shù)據(jù)符合Y1+Y2=Y3+Y4，也起到驗證作用。

2.3“量出”同軸度數(shù)值

如圖8所示，將各項數(shù)據(jù)代入，在CAD上畫出示意圖，并量出同軸度偏差值，具體步驟如下：

（1）4個截面垂直方向和水平方向的中心線相對激光（共同基準）的坐標都已經(jīng)計算出來，分別畫在示意圖上。

（2）截面1、2坐標點連接成一條直線并延長，這是滑道的中心線。截面3、4坐標點連接成一條直線并延長，這是氣缸的中心線。

（3） 滑道和氣缸的中心線進行比較和測量，“量出”氣缸相對滑道的同軸度偏差數(shù)值［7］。

氣缸與滑道同軸度偏差要求：徑向≤0.10 mm，傾斜≤0.04 mm，由圖8可知垂直方向徑向偏差稍大，軸向傾斜符合要求。隨后裝上活塞，測量活塞桿冷態(tài)水平方向和垂直方向徑向跳動值均符合要求，表明氣缸安裝符合要求，同軸度不需進行調整。

2.4應用效果及前景

2.4.1應用效果

某大型改造項目中的7臺對稱平衡式往復壓縮機組采用本文所述方法測量滑道與氣缸的同軸度，取得了良好的效果。7臺機組共計18個氣缸，采用本法測量氣缸與滑道同軸度累計用時約70 h（約9個工作日），若用傳統(tǒng)拉鋼絲找正法完成上述工作約用時350 h，由此可見工作效率提高5倍多?？傆嫻?jié)省35個工日，經(jīng)濟效益明顯。經(jīng)過3年的運行考核，壓縮機組運行正常。

圖8　　氣缸相對滑道的同軸度偏差示意

2.4.2應用前景

往復式壓縮機由于適用壓力范圍廣，壓縮效率高，適應性強等特點，是石油化工行業(yè)的關鍵動力設備，其運行狀況關系到整個企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。一個中型規(guī)模的煉油廠約有十幾臺往復式壓縮機，按照每三年一次大修或期間的緊急維修，采用該法測量氣缸與滑道同軸度能夠提高工作效率，縮短停機時間，經(jīng)濟效益明顯，在生產(chǎn)管理、檢維修質量控制和成本節(jié)約方面作用巨大。

3　結論

激光對中儀測量同軸度也有采用專用的激光對中儀找正架，找正架可根據(jù)氣缸與滑道直徑的不同而選用長度不同的支撐桿，化虛軸為實軸的測量方法［8］。采用本文所述的方法除了可以測量氣缸與滑道同軸度外，也可以利用直線度功能測量滑道與曲軸垂直度，其原理及過程與測量滑道和氣缸同軸度相同。

綜上所述，激光對中技術和傳統(tǒng)的拉鋼絲測量法相比，具有明顯的優(yōu)勢：

（1）精度高。拉鋼絲法的精度是0.01 mm，而激光對中技術通常的精度是0.001 mm，精度和可靠性均大幅度提高，這樣精度要求嚴格的設備都可以應用激光對中技術。

（2）效率高。拉鋼絲需要安靜無振動的環(huán)境，受限制條件較多，導致一臺大型設備每個氣缸使用該法測量需要18～22 h。激光對中儀測量法，測量結果可以用CAD直接畫出，也可以根據(jù)測量原理推導出同軸度結果的計算公式，在施工現(xiàn)場直接把測量數(shù)據(jù)導入計算公式進行計算，只需要3～5 h就可以完成，效率至少提高5倍［8］。

（3）長跨距對中方便?？缇嘣介L，鋼絲由于撓度的影響產(chǎn)生的測量誤差也就越大［9］。而激光沒有撓度，測量數(shù)據(jù)十分準確，保證了施工技術的高要求和壓縮機施工質量，優(yōu)勢明顯。

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Studyon Measurement ofAxiality Between Cylinder and Crosshead Guide Based on Straightness Measurement byL aser Alignment Instrument

DONG Yunbin
CNOOC-EnpalEngineering Co.，Ltd.，Qingdao 266061，China

The axiality between the cylinder and the crosshead guide is an important control index in the installation process of reciprocating compressor.Conventional measuring method with steel wire is tedious and with more restrictive conditions，so it is uneasy to control the accuracy.Although without the axiality measurement function，the laser alignment instrument could be used to measure the axiality between the cylinder and the crosshead guide by means of its straightness measurement function.The measuring principle is deduced through analyzing the measuring method of straightness.The measurement procedure of axiality is illustrated by taking 2 sets of reciprocating compressor units for example，which includes adjusting laser beam of laser alignment instrument，data measuring and computing，drawing axiality deviation diagram in CAD and measuring axiality value.This method has been successfully used for 18 cylinders of 7 sets of compressor units.The total accumulative time for axiality measurement is about 70 hours and the measurement efficiency increases 5 times compared to conventionalmeasuring method with steel wire.The compressor units have run normally for 3 years and significant economic benefits have been gained.

laser alignment instrument；reciprocating compressor；guide and cylinder；straightness；axiality

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.01.022

董云濱（1979-），男，山東青島人，工程師，2003年畢業(yè)于青島科技大學過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事總承包工程項目管理工作。Email：31494887@qq.com

2015-04-10；

2015-11-15