罗茨叶轮轴承在线检测方法和适用该方法的罗茨风机与流程

本发明涉及气体动力机械及其轴承部件的测试方法，尤其涉及一种可以在线检测罗茨风机叶轮轴承的径向间隙和轴向间隙的方法，以及具备在线检测功能结构的罗茨风机。

背景技术：

罗茨风机是一种容积型回转式气体动力机械，如图1)所示，在壳体2与墙板4合围而成的气缸中，平行的配置一对叶轮3(转子)，将壳体2两侧的进风口与排风口分开，所述的一对叶轮3相互啮合并保持固定啮合间隙，通过同步齿轮传动做反向等速旋转，把叶轮型面与气缸壁所形成的工作容积中的气体，无内压缩的从进风口推移到排风口，由排风侧的高压气体回流实现定容积压缩而达到升压或强制排气的目的。罗茨风机结构复杂、装配紧凑，密封精度较高，整个传动(包括轴承)和气压装置处于全封闭状态。随着设备的长期运转，尤其是随着风机轴承的磨损，其内部结构有逐渐劣化的趋势，需要经常进行检测维修。目前，轴承的状态检测与故障诊断的主要手段是振动分析法，其基本原理是通过采集轴承振动的加速度信号，利用各种信号处理方法分析信号的特点，进一步识别出轴承的运行状态。例如，中国实用新型专利“铁路轴承智能在线检测装置”(实用新型专利号：ZL200820070233.9授权公告号：CN201193981Y)公开了一种铁路轴承智能在线检测装置，主要包括床身、振动检测机构、扭矩检测机构和校准机构及计算机。该实用新型利用振动检测机构实现对铁路车辆运用状态下轮对轴承进行故障诊断。但是，由于罗茨风机是高速运转的机器，其本身会产生震动，加之其内部空气的脉动作用，又加大了罗茨风机的震动，该震动发出的声音可以达到100分贝左右，使得常用的精密振动仪对罗茨风机几乎没有检测能力，从而导致在线状态监测效果很差。目前的检测维修模式基本采用整体更换后下线进行定期拆解检修，拆解检测过程不仅费时费力，而且严重影响到流水线的生产效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种罗茨叶轮轴承在线检测方法，通过上线前简单的预作加工，使罗茨风机可以在不下线的状况下检测叶轮的位置变化，进而准确推算轴承的间隙变化，解决风机轴承快速在线检测的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种罗茨叶轮轴承在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S100：制作罗茨风机轴承在线检测用定位针，并且在风机的壳体和叶轮上配制对应的工艺结构；

S200：在罗茨风机上线运行之前，使用定位针进行标定检测，记录原始基准数据；

S300：在风机运行期间，按照预定的检修周期用定位针检测风机叶轮的位置变化，推算轴承的间隙变化实现风机轴承的在线检测；

S400：通过对轴承的径向和轴向间隙定期检测的历史数据进行比较，跟踪风机轴承的径向和轴向间隙的劣化趋势，根据在线检测结果评估罗茨风机的运行状态。

本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的步骤S100包括以下动作：

S120：根据罗茨风机进风口法兰的结构，确定定位针的长度和结构，加工与待检测罗茨风机配套的定位针；

S140：在罗茨风机两叶轮轴线上方，位于进风口法兰的任意一侧，并且正对叶轮中部的进风口法兰边缘上，加工一个同轴贯穿风机壳体的检测孔；

S160：在罗茨风机的叶轮轮面中部对应于检测孔的位置，加工一对互相垂直的定位槽，所述的定位槽由平行于叶轮轴线的横槽和垂直于叶轮轴线的纵槽组成。

本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法的一种更好的技术方案，其特征在于所述的步骤S200包括以下动作：

S220：罗茨风机组装调试完成后，将定位针插入检测孔中；

S240：旋转叶轮轴，使定位针尖脚滑入叶轮面的横槽中，确定针槽对位后，用深度游标尺测量定位针的高度，作为径向位置原始基准数据并记录；

S260：旋转叶轮轴，使定位针尖脚滑入叶轮面的纵槽中，确定针槽对位后，用深度游标尺测量定位针的高度，作为轴向位置原始基准数据并记录；

S280：留存定位针并保存径向位置和轴向位置的原始基准数据记录；使用绞制螺丝封闭贯穿风机壳体的检测孔；罗茨风机上线运行。

本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法的一种改进的技术方案，其特征在于所述的步骤S300包括以下动作：

S320：在停机状态拆除用于密封检测孔的绞制螺丝，开启贯穿风机壳体的检测孔，将定位针插入检测孔中；

S340：旋转叶轮轴，使定位针尖脚滑入叶轮面的横槽中，确定针槽对位后，用深度游标尺测量定位针的高度，作为径向位置实测数据；叶轮轴承径向间隙扩大使叶轮下沉，定位针的高度降低，根据径向位置实测数据和原始基准数据之差，确定风机轴承的径向间隙；

S360：旋转叶轮轴，使定位针尖脚滑入叶轮面的纵槽中，确定针槽对位后，用深度游标尺测量定位针的高度，作为轴向位置实测数据；叶轮轴的轴向窜动使定位针尖脚偏离纵槽的中心，定位针的高度增加，根据轴向位置实测数据和原始基准数据之差，确定风机轴承的轴向间隙：

S380：完成在线检测过程，使用绞制螺丝封闭贯穿风机壳体的检测孔，防止风机壳体进水或漏风，恢复罗茨风机运行状态。

本发明的另一个目的是提供一种使用上述罗茨叶轮轴承在线检测方法的罗茨风机，本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种使用上述罗茨叶轮轴承在线检测方法的具备在线检测功能结构的罗茨风机，包括壳体与墙板合围而成的气缸，置于气缸中的两个平行配置并相互啮合的叶轮，以及位于壳体两侧带有法兰的进风口与排风口；所述的两个叶轮借助固定在两端墙板上的叶轮轴承支承，保持固定啮合间隙，并由同步齿轮传动做反向等速旋转；其特征在于：

在所述两个叶轮的轴线上方，位于进风口法兰的任意一侧，并且正对叶轮中部的进风口法兰边缘上，加工一个同轴贯穿风机壳体的检测孔；在检测孔贯穿风机壳体的部位，配有用于密封检测孔的绞制螺丝；

在罗茨风机的叶轮轮面中部，对应于检测孔的位置，加工一对互相垂直的定位槽，所述的定位槽包括平行于叶轮轴线的横槽和垂直于叶轮轴线的纵槽；

对应于所述的检测孔，配套加工一根用于检测叶轮位置的定位针；定位针的顶部从检测孔中伸出进风口法兰的上表面，定位针的底部加工有与定位槽配合的尖脚；尖脚的尖部修整为光滑倒球面，转动叶轮可使定位针的尖脚滑入叶轮面的定位槽中，并可使其尖部对准横槽或纵槽的中点。

本发明的具备在线检测功能结构的罗茨风机的一种较佳的技术方案，其特征在于所述检测孔的孔径与定位针的直径为间隙配合，配合精度公差等级为IT3～IT5。

本发明的具备在线检测功能结构的罗茨风机的一种优选的技术方案，其特征在于所述的定位槽由角度为120°的角度铣刀铣削加工形成，横槽的长度为2～4cm，纵槽的宽度取决于被测风机轴承的最大允许轴向间隙。

本发明的具备在线检测功能结构的罗茨风机的一种更好的技术方案，其特征在于所述定位针的顶部为半球形或尖部修正为球面的尖顶，可以保证在检测过程中定位针的顶部与深度游标尺形成点接触。

本发明的具备在线检测功能结构的罗茨风机的一种改进的技术方案，其特征在于所述的定位针为柱形结构，当叶轮发生轴向窜动时，叶轮表面的纵槽随之偏移，定位针尖脚的中心偏离纵槽的V形断面中心，推动定位针沿纵槽的V形断面升起；通过测量定位针的高度变化，可以确定风机轴承的轴向间隙。

本发明的具备在线检测功能结构的罗茨风机的一种进一步改进的技术方案，其特征在于所述定位针为曲柄结构，定位针底部的尖脚中心偏离定位针的轴心，尖脚中心与定位针轴心的偏心距取决于被测风机轴承的最大允许轴向间隙；当叶轮发生轴向窜动时，叶轮表面的纵槽随之偏移，纵槽和定位针尖脚保持对中配合，定位针的伸出高度不变而曲柄发生偏转；通过测量曲柄的偏转角度，可以确定风机轴承的轴向间隙。

本发明的有益效果是：

1、本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法，通过上线前简单的预作加工，配合在短暂的在线停机检修时间内，可以在罗茨风机不下线的状况下，通过对叶轮的位置变化准确推算轴承的间隙变化，不需要对全封闭状态的罗茨风机及其轴承部件进行任何拆解操作，就可以实现风机轴承的快速在线检测。

2、本发明的具备在线检测功能结构的罗茨风机，通过在风机的壳体和叶轮上预制用于在线检测的功能结构和与其配合的定位针，可以利用普通的深度游标尺实现风机轴承的在线检测，检测设备成本低，整个在线检测作业可以在数分钟时间内完成；通过定期在线检测和跟踪风机轴承径向和轴向间隙劣化趋势，可以保证罗茨风机的运行安全。

附图说明

图1是现有罗茨风机的结构示意图；

图2是在线检测功能结构的检测孔、绞制螺丝与叶轮、定位槽的局部剖视图；

图3是在线检测功能结构的定位槽与叶轮之位置关系的三维示意图；

图4是在线检测功能结构的检测孔与叶轮、定位槽之位置关系的俯视图；

图5是适用本发明在线检测方法的罗茨风机在线检测功能结构局部剖视图；

图6是罗茨风机的柱形结构定位针的结构示意图；

图7是曲柄结构定位针的曲柄尖脚结构的局部放大图；

图8是采用本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法进行径向间隙检测的示意图；

图9是采用本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法进行轴向间隙检测的示意图；

图10是轴向间隙检测操作过程中用深度游标尺测量定位针初始高度的A-A剖视图；

图11是轴向间隙检测操作过程中用深度游标尺测量定位针高度变化量的A-A剖视图；

图12是处于初始状态下的纵槽与柱形结构定位针的位置关系局部放大图；

图13是叶轮轴向窜动后纵槽与柱形结构定位针的位置关系及轴向间隙计算示意图；

图14是纵槽与曲柄结构定位针的位置关系及轴向间隙计算示意图；

图15是本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法的主流程图。

附图标记说明：

1-定位针，11-定位针顶部的半球形，12-定位针的尖脚，2-壳体，3-叶轮，31-横槽，32-纵槽，4-气缸，5-进风口法兰，51-检测孔，52-绞制螺丝，6-排风口法兰，7-深度游标尺。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。本发明的具备在线检测功能结构的罗茨风机，包括壳体2与墙板4合围而成的气缸，置于气缸中的两个平行配置并相互啮合的叶轮3，以及位于壳体2两侧带有法兰的进风口与排风口；所述的两个叶轮3借助固定在两端墙板4上的叶轮轴承支承，保持固定啮合间隙，并由同步齿轮传动做反向等速旋转；其基本结构如图1所示；

在所述两个叶轮3的轴线上方，位于进风口法兰5的任意一侧，并且正对叶轮3中部的进风口法兰5边缘上，加工一个同轴贯穿风机壳体2的检测孔51；在检测孔51贯穿风机壳体2的部位，配有用于密封检测孔的绞制螺丝52，参见图2；

在罗茨风机的叶轮3轮面中部，对应于检测孔51的位置，加工一对互相垂直的定位槽，所述的定位槽包括平行于叶轮轴线的横槽31和垂直于叶轮轴线的纵槽32，参见图3和图4；

对应于所述的检测孔51，配套加工一根用于检测叶轮位置的定位针1；定位针1的顶部11从检测孔51中伸出进风口法兰5的上表面，定位针1的底部加工有与定位槽31、32配合的尖脚12；尖脚12的尖部修整为光滑倒球面，转动叶轮3可使定位针1的尖脚12滑入叶轮面的定位槽31、32，并可使其尖部对准横槽31或纵槽32的中点，参见图5至图7。

根据本发明的具备在线检测功能结构的罗茨风机的一个优选实施例，所述检测孔51 的孔径与定位针1的直径为间隙配合，配合精度公差等级为IT3～IT5。所述的定位槽31和32由角度为120°的角度铣刀铣削加工形成，横槽31的长度为2～4cm，纵槽32的宽度取决于被测风机轴承的最大允许轴向间隙。

根据图6所示的本发明的具备在线检测功能结构的罗茨风机的实施例，所述定位针1的顶部为半球形或尖部修正为球面的尖顶，以保证在检测过程中定位针1的顶部与深度游标尺7形成点接触。在图6所示的实施例中，所述的定位针1为柱形结构，当叶轮3发生轴向窜动时，叶轮3表面的纵槽23随之偏移，定位针尖脚12的中心偏离纵槽32的V形断面中心，推动定位针1沿纵槽32的V形断面升高；通过测量定位针1的高度变化，根据公式d＝Δh×tan(θ/2)确定风机轴承的轴向间隙，其中，d轴向间隙，Δh为定位针的高度变化量，θ为纵槽的V形断面夹角，检测计算过程参见图12和图13。图12为检测步骤的原始定位状态，假设该状态的高度差读数为单位0，通过一定时间的运行后，检测状态如图13所示，定位针尖脚12的中心偏离纵槽32的V形断面中心，假设此时的读数为6个单位，也就是高度差Δh＝bc＝6个单位，若纵槽32的V形断面夹角θ＝120°，tan(θ/2)＝tan 60°≈1.7，因此可以确定图13中的ab＝Δh×tan60°≈10，也就是该叶轮的窜动量为10个单位，从而可以确定风机轴承的轴向间隙d为10个单位。

根据本发明的一个实施例，定位针1的材料优选为高碳钢(例如含碳量0.60％的工具钢)。定位针1的尖脚12与定位槽31、32配合，尖脚的角度优选为120°。

根据本发明的具备在线检测功能结构的罗茨风机的另一个实施例，所述定位针1为曲柄结构，参见图7，定位针1的底部的尖脚12中心偏离定位针1的轴心，尖脚中心与定位针轴心的偏心距取决于被测风机轴承的最大允许轴向间隙；当叶轮3发生轴向窜动时，叶轮3表面的纵槽23随之偏移，纵槽32和定位针尖脚12保持对中配合，定位针1的伸出高度不变而曲柄发生偏转，通过测量曲柄的偏转角度，根据公式d＝e×sinβ确定风机轴承的轴向间隙，其中，d为轴向间隙，e为尖脚中心与定位针轴心的偏心距，β为曲柄的偏转角度，检测计算过程参见图14，图中用实线表示定位针1的位置以及纵槽32与定位针尖脚12的偏转位置，用双点划线表示纵槽32和定位针尖脚12的初始位置。在本实施例中，由于纵槽32和定位针尖脚12始终保持对中配合，纵槽32的宽度与被测风机轴承的轴向间隙无关，可以通过尽量缩减纵槽宽度来减轻对叶轮表面的影响。对应于采用曲柄结构定位针的实施例，本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法在步骤S260中采用曲柄的偏转角度作为轴向位置原始基准数据，在步骤S360中采用曲柄的偏转角度作为轴向位置实测数据。

图15所示的本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法的实施例包括以下步骤：

S100：制作罗茨风机轴承在线检测用定位针，并且在风机的壳体和叶轮上配制对应的工艺结构；本步骤为风机上线前的预作加工，对于本发明的具备在线检测功能结构的罗茨风机而言，可以跳过本步骤。

S200：在罗茨风机上线运行之前，使用定位针进行标定检测，记录原始基准数据；本步骤是新风机或者经大修后的风机上线运行之前采集初始状态数据的过程。

S300：在风机运行期间，按照预定的检修周期用定位针检测风机叶轮的位置变化，推算轴承的间隙变化实现风机轴承的在线检测；本步骤是对正常运行的风机定期在线检测的过程。

S400：通过对轴承的径向和轴向间隙定期检测的历史数据进行比较，跟踪风机轴承的径向和轴向间隙的劣化趋势，根据在线检测结果评估罗茨风机的运行状态。

本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的步骤S100包括以下动作：

S120：根据罗茨风机进风口法兰的结构，确定定位针的长度和结构，加工与待检测罗茨风机配套的定位针；定位针的结构参见图6或图7。

S140：在罗茨风机两叶轮轴线上方，位于进风口法兰的任意一侧，并且正对叶轮中部的进风口法兰边缘上，加工一个同轴贯穿风机壳体的检测孔；参见图2。

S160：在罗茨风机的叶轮轮面中部对应于检测孔的位置，加工一对互相垂直的定位槽，所述的定位槽由平行于叶轮轴线的横槽和垂直于叶轮轴线的纵槽组成，定位槽与叶轮之位置关系参见图3至图5。

本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法的一种更好的技术方案，其特征在于所述的步骤S200包括以下动作：

S220：罗茨风机组装调试完成后，拆除密封检测孔的绞制螺丝，开启检测孔并将定位针插入检测孔中；参见图5。

S240：旋转叶轮轴，使定位针尖脚滑入叶轮面的横槽中，确定针槽对位后，用深度游标尺测量定位针的高度，作为径向位置原始基准数据并记录；径向间隙原始基准数据的检测操作过程参见图8。

S260：旋转叶轮轴，使定位针尖脚滑入叶轮面的纵槽中，确定针槽对位后，用深度游标尺测量定位针的高度，作为轴向位置原始基准数据并记录；轴向间隙原始基准数据的检测操作过程参见图9和图10。

S280：留存定位针并保存径向位置和轴向位置的原始基准数据记录；使用绞制螺丝封闭贯穿风机壳体的检测孔；罗茨风机上线运行。在完成初始状态检测过程后，使用绞制螺丝进行简单的封孔复原，防止风机壳体进水或漏风。

本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法的一种改进的技术方案，其特征在于所述的步骤S300包括以下动作：

S320：在停机状态拆除用于密封检测孔的绞制螺丝，开启贯穿风机壳体的检测孔，将定位针插入检测孔中；参见图5。

S340：旋转叶轮轴，使定位针尖脚滑入叶轮面的横槽中，确定针槽对位后，用深度游标尺测量定位针的高度，作为径向位置实测数据；叶轮轴承径向间隙扩大使叶轮下沉，定位针的高度降低，根据径向位置实测数据和原始基准数据之差，确定风机轴承的径向间隙；径向间隙实测数据的检测操作过程与原始基准数据的检测操作相同，参见图8，定位针的高度差即为叶轮轴承的径向间隙。

S360：旋转叶轮轴，使定位针尖脚滑入叶轮面的纵槽中，确定针槽对位后，用深度游标尺测量定位针的高度，作为轴向位置实测数据；叶轮轴的轴向窜动使定位针尖脚偏离纵槽的中心，定位针的高度增加，根据轴向位置实测数据和原始基准数据之差，确定风机轴承的轴向间隙。轴向间隙原始基准数据的检测操作过程参见图9和图11，轴向间隙计算过程参见图12和图13。若采用曲柄结构的定位针，轴向间隙计算过程参见图14。

S380：完成在线检测过程，使用绞制螺丝封闭贯穿风机壳体的检测孔，防止风机壳体进水或漏风，恢复罗茨风机运行状态。本发明的罗茨叶轮轴承在线检测方法的整个检测过程仅需要拆装一个绞制螺丝，不需要对全封闭状态的罗茨风机及其轴承部件进行任何拆解操作。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。