非接觸測量用于鏈傳動(dòng)設(shè)備維修安裝

宋詩光，黃 斌 ，孫 輝

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

鏈傳動(dòng)是一種具有中間撓性的嚙合傳動(dòng)，在工農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用廣泛。由于安裝達(dá)不到要求，會出現(xiàn)過早的失效，如發(fā)生鏈條、鏈輪齒的過早磨損，嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)鏈條爬高和跳齒現(xiàn)象，最終導(dǎo)致鏈條的靜強(qiáng)度破壞。在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，還會表現(xiàn)出高噪聲，強(qiáng)振動(dòng)，低效率等。在油田修井機(jī)絞車的鏈傳動(dòng)中，由于安裝未找正，曾出現(xiàn)鏈條多次斷裂的情況，給生產(chǎn)帶來較大的影響。對此，提出一種非接觸測量找正方法進(jìn)行鏈傳動(dòng)設(shè)備安裝，具有較高的精度及經(jīng)濟(jì)性。

1 方法原理

1.1 測量系統(tǒng)構(gòu)成

2臺高精度電子經(jīng)緯儀、高精度基準(zhǔn)尺、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

1.2 測量原理

1.2.1 測量系統(tǒng)的建立[1-2]

測量采用經(jīng)緯儀工業(yè)測量系統(tǒng)原理，利用該測量系統(tǒng)確定空間中點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而定位空間的點(diǎn)。具體原理如下：

經(jīng)緯儀工業(yè)測量系統(tǒng)以空間前方交會理論為基礎(chǔ)的，最常用的是兩方向交會法。如圖1所示，兩經(jīng)緯儀T1和T2分別位于測站點(diǎn)A和測站點(diǎn)B，系統(tǒng)以點(diǎn)A為坐標(biāo)原點(diǎn)（軸系交點(diǎn)）A，B連線在水平方向的投影為x軸，過A的鉛垂向?yàn)閦軸，以右手法則確定y軸，構(gòu)成測量坐標(biāo)系。

圖1 兩方向交會法

圖1中：A，B 兩點(diǎn)互瞄及分別觀測目標(biāo)P的觀測值（水平方向值、垂直方向值）分別為γAB，αAB，γBA，αBA，γAP，αAP，γBP，αBP。令水平角 ΔA=γAB-γAP；ΔB=γBP-γBA，則 P 點(diǎn)的三維坐標(biāo)為式（1）。

式中b——基線長（即A，B點(diǎn)間的水平間距）

h——A，B點(diǎn)間高差，見式（2）。

兩點(diǎn)間距離公式：設(shè)P1，P2為空間兩點(diǎn)，則兩點(diǎn)間距離見式（3）。

利用此系統(tǒng)對高精度基準(zhǔn)尺進(jìn)行2點(diǎn)的測量，得出2點(diǎn)的測量值，將值帶入式（1），得到2點(diǎn)的坐標(biāo)值，可得系統(tǒng)中的參數(shù)b，h，就此建立并標(biāo)定被測點(diǎn)的空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)。

1.2.2 空間坐標(biāo)點(diǎn)相對位置的判斷

圖2 空間中任意2點(diǎn)示意

空間 3 點(diǎn) A（x1，y1，z1）B（x2，y2，z2）C（x3，y3，z3），則由此 3 點(diǎn)構(gòu)成的平面方程[3]為式（5）。

點(diǎn)到平面的距離[3]：點(diǎn)P（1x1，y1，z1）到平面Ax+By+Cz+D=0,（其中（A，B，C）為平面的法向量）的距離為式（6）。

已知平面方程、直線方程則有直線同平面的交點(diǎn)：直線過坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0）則直線的參數(shù)方程[3]為式（7）。

圖3 空間點(diǎn)相對位置判斷原理

如圖3所示，利用測量系統(tǒng)測量得到空間的3點(diǎn)（3點(diǎn)不共線），則利用式（5）可得到一空間平面Q，圖中垂直于平面Q，過原點(diǎn)，直線同平面垂直，則此直線方向向量即為平面的法向量（A，B，C）。則利用式（5）、式（7）聯(lián)立，求出參數(shù) t，得到交點(diǎn)K的空間坐標(biāo)。M點(diǎn)，N點(diǎn)為空間2點(diǎn)，利用式（4），可以得到向量。由此 3 向量可對空間點(diǎn)相對于平面 Q 的位置進(jìn)行如下判斷：

因此通過向量積的正負(fù)可以進(jìn)行空間點(diǎn)相對于空間平面方位的判定，點(diǎn)離平面Q的距離，利用式（6）計(jì)算得出。由此空間中的點(diǎn)相對于平面Q的位置可完全確定。

1.3 平行軸鏈傳動(dòng)設(shè)備找正安裝原理

若設(shè)備[①]，[②]為平行軸鏈輪傳動(dòng)，需要進(jìn)行安裝找正，兩設(shè)備在底座上吊裝就位后，一般情況下，其2軸線的位置處于空間交錯(cuò)狀況，2旋轉(zhuǎn)軸存在縱向和橫向不對中情況，如圖4所示。

（1）兩平行軸安裝設(shè)備在橫向不對中的情況下，會發(fā)生如圖4a所示的夾角α。

（2）兩平行軸安裝設(shè)備在縱向不對中的情況下，會發(fā)生如圖4b所示的夾角β。

（3）兩平行軸安裝設(shè)備在橫向不對中的情況下，會發(fā)生如圖4c所示的平面偏移距離δ。

圖5 設(shè)備找正安裝原理

使其處于正確的安裝位置，需要進(jìn)行安裝找正。

如圖5所示，用三維圖形表達(dá)出所需安裝設(shè)備的位置關(guān)系。S1，S2，S3為設(shè)備[①]傳動(dòng)輪上的點(diǎn)，3 點(diǎn)共面于平面 μ；O，E1，E2，E3，E4為設(shè)備[②]傳動(dòng)輪上的點(diǎn)，4 點(diǎn)共面于平面 ν；O＇，E1＇，E2＇，E3＇，E4＇為點(diǎn) O，E1，E2，E3，E4在平面 ν上的垂直投影，OO＇為設(shè)備[②]的旋轉(zhuǎn)軸。設(shè)備[①]鏈輪定位平面μ，設(shè)備[②]鏈輪定位平面ν不重合，兩平面存在橫向夾角Ψ，并且兩平面存在橫向偏移OO＇，圖5未反映出2軸縱向不對中的情況。

以圖5為例，找正原理：以A，B為測量系統(tǒng)的兩測站點(diǎn)[5]，建立以測站點(diǎn)A為原點(diǎn)的測量笛卡爾坐標(biāo)系，利用高精度基準(zhǔn)尺建立并標(biāo)定好測量系統(tǒng)。利用測量系統(tǒng)測得S1，S2，S3三點(diǎn)的坐標(biāo)值，利用式（5）得到平面μ的方程，同樣利用測量系統(tǒng)測得E1，E2，E3，E4的坐標(biāo)值，利用空間坐標(biāo)點(diǎn)相對位置的判斷方法，判斷出設(shè)備[②]鏈輪的不對中情況，以此為依據(jù)進(jìn)行找正和檢驗(yàn)。

2 安裝找正步驟

（1）進(jìn)行找正前的初步安裝，憑直覺盡量使設(shè)備的2軸處于平行位置，（假設(shè)設(shè)備[①]不易調(diào)節(jié)，設(shè)備[②]容易調(diào)節(jié)）。

（2）將2經(jīng)緯儀按圖5所示A，B示意位置進(jìn)行擺放，使需要安裝的兩設(shè)備都處于第一象限角內(nèi)，然后進(jìn)行各經(jīng)緯儀的找平，則此測量系統(tǒng)就位[4]。

（3）A，B兩位置經(jīng)緯儀互瞄及分別對高精度基準(zhǔn)尺進(jìn)行觀測，得到觀測值 γAB，αAB，γBA，αBA，γAP，αAP，γBP，αBP；根據(jù)式（1）（2）（3）求出測量系統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)b，h。

（4）在需要安裝的兩設(shè)備鏈輪上做1個(gè)標(biāo)計(jì)點(diǎn)，即在設(shè)備[①]標(biāo)計(jì)S點(diǎn)，在設(shè)備[②]標(biāo)計(jì)E點(diǎn)。

（5）轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備[①]鏈輪，使 S 點(diǎn)分別處于 S1，S2，S3位置，用測量系統(tǒng)對 S1，S2，S3進(jìn)行測量，得出其空間坐標(biāo)值，并由式（5）得到由此3點(diǎn)組成的平面μ。

（6）轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備[②]鏈輪，使 E 點(diǎn)分別處于 E1，E2，E3，E4位置，分別用測量系統(tǒng)對E1，E2，E3，E4進(jìn)行測量，得出該4點(diǎn)的空間坐標(biāo)值。

（7）利用點(diǎn)到平面的距離公式（6）和空間點(diǎn)相對位置判斷的方法，得到 E1，E2，E3，E4點(diǎn)相對于平面 μ 的位置關(guān)系，由點(diǎn)E1，E3可以得出設(shè)備 [②]鏈輪同平面μ橫向不對中時(shí)產(chǎn)生傾角α，由點(diǎn)E2，E4可以得出設(shè)備[②]鏈輪同平面μ縱向不對中時(shí)產(chǎn)生傾角β，這樣可以知道設(shè)備[②]鏈輪同設(shè)備[①]鏈輪的空間位置關(guān)系。

（8）進(jìn)行找正的調(diào)節(jié)，在找正調(diào)節(jié)中首先要進(jìn)行設(shè)備的縱向調(diào)節(jié)，將設(shè)備的兩軸線調(diào)整到一個(gè)平面上，然后再進(jìn)行橫向調(diào)節(jié)。

（9）由設(shè)備[②]的自身兩前后安裝腳距離L和傾角β的大小，計(jì)算出在安裝腳F，R內(nèi)低的一側(cè)，需要增加的銅片相對厚度為L·tgβ，放置好銅片后，盡量擺正設(shè)備，并擰緊地腳安裝螺栓。

（10）利用測量系統(tǒng)再次對 E1，E2，E3，E4點(diǎn)進(jìn)行測量，得出該4點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，利用點(diǎn)到平面的距離公式（6）和圖3空間點(diǎn)相對位置判斷的方法，可以重新得到 E1，E2，E3，E4點(diǎn)相對于平面μ的位置關(guān)系，計(jì)算出傾角β顯著減小，如果還不能滿足安裝要求，可以通過微調(diào)地角安裝螺栓松緊，使縱向調(diào)節(jié)達(dá)到要求。

（11）松動(dòng)所有的安裝螺栓，依據(jù)步驟（10）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行橫向調(diào)節(jié)，橫向調(diào)節(jié)包含設(shè)備左右和前后位置調(diào)整，其中左右調(diào)整依據(jù)擺角α，利用固定在安裝底座的左右頂絲調(diào)節(jié)；設(shè)備的前后位置調(diào)整依據(jù)測量點(diǎn)到平面μ的距離，利用固定在安裝底座上的前后頂絲調(diào)節(jié)。

（12）重復(fù)進(jìn)行步驟（10）、（11）直至達(dá)到安裝精度要求。

（13）橫向調(diào)節(jié)完成后，用左右和前后的所有頂絲將設(shè)備[②]頂住，保持其位置，然后鎖緊所有的安裝螺栓。

（14）重復(fù)步驟（10），進(jìn)行最后的安裝檢驗(yàn)。

3 找正精度

3.1 橫向找正安裝精度

橫向找正安裝精度取決于由經(jīng)緯儀和高精度基準(zhǔn)尺所組成的測量系統(tǒng)的標(biāo)定精度和它們各自的精度。目前電子經(jīng)緯儀的測角精度高達(dá)0.5″，通過實(shí)驗(yàn)表明用該系統(tǒng)測量的相對精度可以達(dá)到10-5數(shù)量級[5]，對于1000 mm長的距離測量，絕對精度為0.01 mm。但是，盡管該系統(tǒng)的檢驗(yàn)相對精度可達(dá)10-5數(shù)量級，但設(shè)備的安裝精度一般低于該精度，其差異大小取決于設(shè)備找正調(diào)節(jié)的情況。

3.2 縱向調(diào)整安裝精度

縱向調(diào)整安裝精度取決于測量系統(tǒng)的檢驗(yàn)精度和安裝中所墊銅片的最小厚度，因?yàn)殂~片的最小厚度有限（0.1 mm），由它產(chǎn)生的角度偏差明顯大于系統(tǒng)的檢驗(yàn)精度。如設(shè)備在縱向上安裝腳安裝點(diǎn)點(diǎn)距為1000 mm，則角度偏差精度約為20.6″，因此銅片的最小厚度最終決定了縱向調(diào)整安裝精度。不過找正中用安裝螺栓鎖緊后，利用設(shè)備安裝腳和底座產(chǎn)生的彈性變形，該角度偏差精度還可以進(jìn)一步提高。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

利用該維修安裝方法，先后對多臺車載修井機(jī)的變速箱到絞車的鏈傳動(dòng)進(jìn)行找正安裝，均獲得了良好的效果。設(shè)備在出廠試驗(yàn)及后期生產(chǎn)中，鏈傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低、振動(dòng)小，未出現(xiàn)鏈條爬高和跳齒現(xiàn)象、也未出現(xiàn)過早的失效。

5 結(jié)論

（1）該安裝方法采用非接觸的測量方式，測量系統(tǒng)不受安裝設(shè)備的影響，測量及找正精度高，應(yīng)用范圍廣，適合于多種機(jī)械安裝找正的要求。

（2）該方法相對于進(jìn)口測量系統(tǒng)而言具有良好的經(jīng)濟(jì)性，但操作過程復(fù)雜，比較適合于中小規(guī)模生產(chǎn)的機(jī)械廠或大型設(shè)備的場地安裝。

（3）該方法對于平行傳動(dòng)設(shè)備安裝具有直接的指導(dǎo)作用，也可以作為其他設(shè)備，特別是大中型設(shè)備找正安裝的參考。

（4）為了提高安裝找正效率，可以利用經(jīng)緯儀或全站儀的輸出接口同筆記本電腦連接，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，最終以圖形方式直觀顯示現(xiàn)場安裝情況和偏差，達(dá)到智能化水平。