Изменение динамических параметров шпинделя при изменении частоты его вращения

УДК 621.9.02

Изменение динамических параметров шпинделя при изменении частоты его вращения

В. В. Юркевич

Приводены результаты экспериментальных измерений динамических параметров шпинделя,установленного на стенде. Сняты временные сигналы и спектры виброперемещений, виброскорости и виброускорений. Построенные графики среднеквадратичных значений и пик-фактора позволяют определить, что наилучшим показателем является пик-фактор виброускорений.

Ключевые слова: временные сигналы, спектры виброперемещений, виброскорости и виброускорений.

Подшипники качения — наиболее распространенные элементы многих станков, машин, приборов и устройств. Состояние подшипников качения является важнейшим показателем его безотказности и работоспособности. При работе станков подшипники качения испытывают колебания [1—6]. Колебания станков при резании — это сложный процесс, в котором участвуют как вынужденные, так и независимые колебания, снижающие производительность, точность, безотказность и работоспособность.

При анализе технического состояния подшипников качения обычно рассматривают амплитуды виброскорости, в частности их пиковое значение (пик), среднеквадратичное значение (СКЗ) и пик-фактор, который равен отношению пика к СКЗ.

Испытания проведены на стенде [7]. Стенд имеет имитатор шпинделя, который установлен в двух опорах. Шпиндель приводится во вращение с помощью электродвигателя через кли-ноременную передачу. Имеются сменные шкивы, что позволяет иметь скорости вращения шпинделя 1300, 1900 и 3300 об/мин. Положение шпинделя фиксируется с помощью лазерного датчика, луч которого отражается от метки, наклеенной на втулке шпинделя. В опорах шпинделя установлены два радиально-упорных

роликоподшипника 30205, имеющих следующие технические данные:

Диаметр отверстия внутреннего кольца, мм____ 25

Наружный диаметр внешнего кольца, мм........ 52

Ширина внешнего кольца, мм........................ 15

Число роликов.............................................. 16

Для измерения вибрационных характеристик использован прибор «Агат-М», который предназначен для измерения параметров вибрации и числа оборотов, а также для спектрального анализа вибрационных сигналов в целях диагностики технического состояния технологических машин. Прибор «Агат-М» имеет два акселерометра А и Б, установленные на левой опоре в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Основные части прибора: измерительный блок БИ070-М; пьезоэлектрические преобразователи АС102-1А; лазерный преобразователь числа оборотов КР020л.

Прибор позволяет производить: измерение ускорения, скорости, перемещения в фиксированной полосе частот; частоты вибрации; числа оборотов; амплитуды — фазы первой гармоники оборотной частоты, а также для спектрального анализа вибрационных сигналов.

№ 1(85)/2015

новые материалы и технологии производства

ЕТАПЛООБРАБОТК]

Таблица 1

Измеряемые параметры вибрации

Параметр вибрации СКЗ Пик Размах

Виброускорение, м/с2 1,0-200 1,41-282 2,82-564

Виброскорость, мм/с 1,0-150 1,41-212 2,82-423

Виброперемещение, мкм 6-480 8,46-680 19,92-1360

Время, мс

б)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Время, мс

Рис. 1. Временной сигнал при частоте вращения шпинделя п = 3300 об/мин: а — перемещения; б — скорости; в — ускорения

Диапазоны измерений параметров вибрации приведены в табл. 1.

Прибор «Агат-М» соединен кабелем с компьютером, что позволяет обрабатывать полученные сигналы с использованием программного обеспечения системы прогнозируемого обслуживания механического оборудования «Диамант-2», разработанного фирмой «Диамех 2000». Программное обеспечение «Диамант-2» предназначено для использования в системе прогнозируемого обслуживания механического оборудования и обеспечивает максимальную автоматизацию проведения периодических обследований, ввода данных в базу данных персонального компьютера, их анализ, формирования различных протоколов и отчетных материалов и всех основных функций управления базами данных.

В процессе испытаний снимали временный сигнал (рис. 1) и спектры перемещения, скорости и ускорения (рис. 2). В первую очередь привлекали внимание пики максимальных значений на частоте около 10 Гц, которые присутствуют на спектрах всех частот вращения шпинделя. Это значит, что эти колебания не связаны с частотой вращения шпинделя, а следовательно, могут характеризовать колебания самого стенда и стола, на котором установлен стенд. Также хорошо просматриваются пики на оборотной частоте, т. е. на частотах вращения шпинделя 21,7; 31,7 и 55 Гц.

Причиной изменения виброскорости при изменении частоты вращения шпинделя является то, что при увеличении частоты вращения шпинделя возрастает центробежная сила неуравновешенных частей шпинделя, которая вызывает дополнительную деформацию подшипникового узла. Из рассмотрения спектров виброперемещений при изменении частоты вращения шпинделя с 1300 до 3300 об/мин видно, что перемещение увеличивается на 0,7 мкм.

При анализе СКЗ установлено, что для виброперемещений оно не является показательным, тогда как виброскорость и виброускорение хорошо характеризуют рост СКЗ

На рис. 4 приведены графики изменения пик-фактора для виброперемещения, виброскорости и виброускорения. Из их сравнения следует, что пик-фактор для виброперемещения и виброскорости отображает в малой степени изменение динамических характеристик.

№ 1(85)/2015

55

а)

н о а ю

н м

б)

йкк

0,9 0,8

§ о,6

и

I 0,5

Ф

I 0,4 & '

ф

о 0,3 а

В 0,2

1 : 1 I Г-

...........1. _ М- 1 ___|_ .. -1- 1

I 1 1

1 1 | 1 1...... 1

1 Г

1|........ 1 I

Л)'!. V Д Л Ь.А.1 1 1

50 100 150 200 250 300 350

в)

400 450 500 Частота, Гц

50 100 150 200 250 300 350

400 450 500 Частота, Гц

Н

И ф

&

§

а

н

о

а

1,5

1 0,5 м

| 1 1 ] 1 1 1 1 1 1 1

1 I 1 ] 1 1 1 I ! 1 I [ I

1 ! 1 —1- 1 I I 1 [ .. 4 1 1 .4- -

...!) и) 1  к А. и* [ !

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Частота, Гц

Рис. 2. Спектры вибрации шпинделя для частоты вращения п = 3300 об/мин: а — виброперемещение; б — виброскорость; в — виброускорение

а)

б)

3,0

и

о

а

н В

1300

2300

Частота вращения, об/мин

3300

в

о р

и щ

1300

2300

Частота вращения, об/мин

3300

Рис. 3. Изменение СКЗ при изменении частоты вращения шпинделя: а — для виброскорости; б — для виброускорения

7

4

3

2

1

0

0

2

1

№ 1(85)/2015

новые материалы и технологии производства

1ЕТД ГООБРАБОТК)

1300

в

/

я у^

3300

2300

Частота вращения, об/мин

Рис. 4. Изменение пик-фактора для виброперемещения в, виброскорости V и виброускорения а при изменении частоты вращения шпинделя

В то же время пик-фактор для виброускорений демонстрирует увеличение более чем 3 раза.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что при оценке динамических характеристик лучше всего использовать пик-фактор для виброускорения.

Литература

1. Проников А. С. Программный метод испытания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1985. 288 с.

2. Кудинов В. А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. 359 с.

3. Вейц В. Л., Дондошанский В. К., Чиряев В. И.

Вынужденные колебания в металлорежущих станках. М.: Машгиз, 1959. 288 с

4. Юркевич В. В. Определение точности обработки на токарном станке // СТИН. 1999. № 4. С. 15-17.

5. Юркевич В. В. Контроль и диагностика процесса формообразования при обработке на токарных станках // Контроль. Диагностика. 2005. № 1. С. 45-50.

6. Юркевич В. В. К вопросу точности токарной обработки станков // Вестн. машиностроения. 2004. № 2. С. 46-52.

7. Юркевич В. В. Контроль точности токарной обработки // СТИН. 2004. № 10. С. 8-11.

Уважаемые коллеги!

Открыта постоянная редакционная подписка на научно-производственный журнал «МЕТАЛЛООБРАБОТКА». Журнал учрежден и издается АО «Издательство «Политехника» с 2001 г.

Тематика: обработка материалов резанием, давлением, электрофизические и электрохимические методы обработки; новые технологии и материалы.

Тираж 2500 экз., объем 56 е., периодичность — 6 номеров в год, стоимость одного номера — 700 руб. Постоянным подписчикам 10 % скидка. С 2003 г. журнал включен в Перечень ВАК.

Приглашаем к сотрудничеству авторов: научные статьи, одобренные редколлегией, редактируются и печатаются бесплатно.

Для рекламодателей по запросу высылаем расценки. Подписной индекс: по каталогу «Роспечать» — № 14250.

№ 1 (85)/2015

571