Области применения методов вибродиагностики на различных этапах жизненного цикла металлорежущих станков

УДК 621.9.06

С. Ф. Золотых, канд. техн. наук, доц.,

С. В. Лобанова, канд. техн. наук, доц.,

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ ВИБРОДИАГНОСТИКИ НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Рассмотрены различные этапы жизненного цикла металлорежущих станков и предложено применение диагностики на основе базовых спектральных характеристик.

Ключевые слова: Металлорежущие станки, диагностика технического состояния, спектральные характеристики.

В жизненном цикле металлорежущих станков (МРС) при разделении на группы по используемым методам и средствам вибрационной диагностики можно выделить три основных этапа:

1 этап. Проектирование опытных образцов. Основной задачей, решаемой с применением средств измерения и анализа вибрации на первом этапе, является борьба с вибрацией несущих систем МРС путем снижения величин колебательных сил в источнике и оптимизации механических свойств отдельных узлов и элементов. Кроме этого могут решаться задачи оптимизации вибростойкости объекта, т.е. обеспечения надежности оборудования при работе в условиях повышенной вибрации как возбуждаемой самим объектом исследования, так и действующей на объект извне.

В современных условиях актуальной становится и еще одна задача в рамках предыдущей - обеспечение контролепригодности оборудования, т.е. подготовки точек контроля вибрации и выбор датчиков, обеспечивающих получение необходимой диагностической информации на последующих жизненных этапах объекта контроля.

На этом этапе используются в основном методы модального анализа вибрации, позволяющие выявить наиболее опасные формы колебаний объектов, в первую очередь на резонансных частотах и частотах действия основных колебательных сил.

2 этап. Изготовление, монтаж и наладка оборудования. С помощью вибрационного анализа решается большой круг задач, к основным из которых можно отнести:

- пооперационный контроль изготовления деталей и узлов;

- входной контроль комплектующих деталей и узлов;

- балансировку на месте монтажа и наладки;

- выходной вибрационный контроль;

- анализ и устранение причин повышенной вибрации.

Задача пооперационного контроля изготовления деталей и узлов машины и оборудования решается с применением разнообразных методов контроля, из которых к вибрационным можно отнести ультразвуковую дефектоскопию, основанную на анализе отражений и потерь при распространении вибрационных вол, воздаваемых внешним источником.

Входной контроль комплектующих узлов с использованием методов и средств анализа вибрации, возбуждаемой этими узлами, возможен лишь при наличии испытательных стендов, обеспечивающих работу этих узлов в номинальных или специальных режимах. Для входного контроля большинства узлов и в первую очередь подшипников качения используются спектральные методы анализа их вибрации и достаточно часто спектральные методы анализа огибающей ее высокочастотных компонент.

Для балансировки используются синхронные методы анализа вибрации. Измерению в каждой из точек контроля подлежат амплитуда вибрации на частоте вращения и ее фаза относительно опорного сигнала с датчика углового положения вала. Обнаружение и идентификация этих сил требуют применения всего арсенала методов анализа вибрации, используемых диагностами.

Самая сложная по номенкулатуре методов анализа вибрации - это задача выявления и устранения причин повышенной вибрации оборудования после его изготовления (ремонта) или монтажа на месте эксплуатации.

Основной особенностью проведения работ по виброналадке является то, что при необходимости приходится исследовать вибрацию машин и оборудования в разных режимах функционирования, в том числе и с их частичной разборкой. В процессе виброналадки могут использоваться все виды анализа формы вибрации или ее спектрального анализа, включая синхронный и взаимный спектральный анализ, а также анализ спектров огибающей предварительно выделенных компонент вибрации разной природы.

В анализе вибрационных процессов особую роль играет частотноспектральный анализ, который является мощным средством анализа технического состояния МРС. Однако, применимость метода ограничивается необходимостью иметь эталонные частотные характеристики МРС.

Поэтому отдельная задача - снятие базовых спектральных характеристик с применением штатных датчиков для электронного сертификационного паспорта.

Снятие базовых спектральных характеристик с применением штатных датчиков производится для создания электронного сертификационного паспорта динамических характеристик. Базовая характеристика должна отражать все спектральные параметры наиболее важных кинематических узлов в их «идеальном» состоянии.

3 этап. Период эксплуатации оборудования. Анализ вибрационных процессов может проводиться для решения следующих задач:

- контроль и прогноз вибрационного состояния (вибрационный мониторинг);

- контроль и прогноз технического состояния машин и оборудования (вибрационная диагностика);

- планирование сроков и объемов работ по обслуживанию;

- проведение работ по обслуживанию и контроль качества их выполнения;

- предремонтная дефектация машин и оборудования.

Основой для вибрационного мониторинга и диагностики служат базовые спектральные характеристики сертификационного паспорта. Применение различных методов анализа изменения в процессе эксплуатации оборудования составляющих базовых характеристик позволит оценить его текущее техническое состояние.

Системы вибрационного мониторинга оборудования в соответствии с рекомендациями действующих стандартов по мониторингу используют, в основном, спектральные методы анализа. В некоторых системах используются также методы анализа формы низкочастотных колебаний (орбиты движения вала в подшипниках скольжения) или синхронного частотного и спектрального анализа вибрации в режимах пуска и выхода на рабочий режим. Поскольку многие из спектральных составляющих низкочастотной вибрации растут при появлении некоторых дефектов задолго до возникновения дефектной ситуации, по данным вибрационного мониторинга удается обнаружить предаварийное состояние оборудования, а в некоторых случаях при построении трендов изменения ее вибрационного состояния во времени прогнозировать время наступления аварийной ситуации.

В рамках вибрационной диагностики оборудования могут решаться две разные задачи. Первая - идентификация причин изменения вибрационного состояния, обнаруженного средствами мониторинга. Другая задача -контроль и прогноз технического состояния объекта контроля, которые невозможны без обнаружения всех основных видов дефектов на ранней стадии развития. Поскольку средствами измерения и анализа вибрации, используемыми для мониторинга, можно обнаружить лишь некоторые из развитых дефектов, вопросами контроля и прогноза технического состояния машин и оборудования занимается специальный раздел превентивной вибрационной диагностики.

Задачей превентивной диагностики являются обнаружение и идентификация всех основных видов дефектов на стадии зарождения, наблюдение за их развитием и прогноз на этой основе технического состояния объектов контроля. Зарождающийся дефект из-за малой величины колебательных сил может возбуждать заметную вибрацию преимущест-венно на

высоких частотах и только в зоне, ближайшей к месту возникновения дефекта. Поэтому методы анализа низкочастотной вибрации, используемые в задачах вибрационного мониторинга, не обеспечивают обнаружения большинства возможных дефектов на стадии зарождения.

В задачах превентивной диагностики приходится использовать всю гамму видов анализа высокочастотной вибрации, измеряемой не в стандартных точках контроля, а как можно ближе к точкам возникновения высокочастотных колебательных сил и местам их передачи на неподвижные узлы диагностируемых машин.

Наибольшее распространение в превентивной диагностике получили методы анализа формы высокочастотной вибрации, возбуждаемой ударными импульсами в подшипниках, и методы спектрального анализа огибающей высокочастотной вибрации, возбуждаемой силами трения не только в подшипниках, но и в других узлах, например рабочих колесах насосов, турбин и других типов машин. Естественно, что одновременно с высоко-частотной вибрацией измеряется и анализируется вибрация машин на средних и низких частотах. Для ее исследования также используются практически все виды анализа сигналов вибрации, возбуждаемой в типовых режимах работы машин. Анализ вибрации на средних и низких частотах позволяет более точно контролировать развитие обнаруженных по высокочастотной вибрации дефектов после того, как они начнут реально влиять на состояние объекта контроля.

Планирование сроков и объемов работ как по обслуживанию, так и по ремонту машин и оборудования, требует полного знания их технического состояния. Методы превентивной диагностики, использующие для обнаружения каждого из зарождающихся дефектов свои алгоритмы анализа диагностических сигналов, лежат в основе такого планирования. Однако кроме обнаружения дефекта необходимо еще оценить его величину и степень опасности, для чего требуется определить пороговые значения для каждого из диагностических параметров. Эта задача решается с помощью статистического анализа результатов независимых диагностических измерений либо по группе одинаковых объектов контроля, либо по данным ретроспективных измерений одного (диагностируемого) объекта контроля.

S. Zolotyh, S. Lobanova

SCOPES OF METHODS ВИБРОДИАГНОСТИКИ AT VARIOUS STAGES OF LIFE CYCLE OF METAL-CUTTING MACHINE TOOLS

Various stages of life cycle of metal-cutting machine tools are considered and application of diagnostics on the basis of base spectral characteristics is offered.

Key words: Metal-cutting machine tools, diagnostics of a technical condition, spectral characteristics.

Получено 12.11.10