Модальная диагностика узлов технологического оборудования

Язык труда и переводы:
УДК:
621.9.06.004.58
Дата публикации:
27 мая 2022, 12:02
Категория:
Контроль и диагностика деталей и оборудования в машиностроении
Авторы
Карпов Андрей Игоревич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Иванов Вячеслав Александрович
Российский государственный университет туризма и сервиса
Аннотация:
Рассмотрена методика оценки технического состояния металлорежущего станка на примере элементов подшипниковой опоры шпиндельного узла. Представлены результаты эксперимента, по которым можно судить о наличии дефектов элементов системы. Далее были проведены ремонтные работы и повторный эксперимент. По результатам проведения повторного эксперимента были сделаны выводы о допустимости использования отремонтированных элементов в дальнейшей работе шпиндельного узла металлорежущего станка.
Ключевые слова:
технологическое оборудование, вибрационная диагностика, работоспособность, информационное обеспечение
Основной текст труда

Введение

Существующие тенденции развития машиностроительного производства выражаются в уменьшении размеров партионности выпускаемой продукции при ее увеличивающейся номенклатуре [1, 2]. В этих условиях важно обеспечить высокий уровень загрузки технологического оборудования производственной системы предприятия. Одной из важных причин снижения загрузки является останов технологического оборудования вследствие необходимости технического обслуживания. Количественный анализ временных производственных потерь по оборудованию позволяет определить резервы для их снижения. Самым эффективным направлением является активная диагностика состояния критических узлов и механизмов с целью постоянного мониторинга реального момента необходимого проведения ремонтных работ. В статье приводятся теоретические и экспериментальные обоснования подхода к организации диагностики технологического оборудования без его остановки и информационного обеспечения для рационального планирования ремонтных работ.

Дефекты роторных систем

В ходе проведенных исследований было обнаружено, что диагностические признаки дефектов роторных систем являются индивидуальными. Объясняется тем, что присутствие дефектов в роторных системах вызывают изменения спектрального состава в виде характерных гармоник, определяемыми их частотными свойствами относительно частоты роторной системы. Частотные гармоники в спектре содержат информацию как об одном отдельно взятом дефекте, так и сразу о нескольких.

Как показывает практика, наиболее часто выходящими из строя элементами конструкции станка являются пары роторного типа. Как правило, такие элементы обладают свойством поворотной симметрии. Среди них можно выделить подвижные пары (например, вал шпинделя) и неподвижные (например, опоры вращающегося вала).

Для систем с поворотной симметрией фундаментальным свойством является наличие пар взаимно ортогональных форм колебаний с равными частотами [3]. Для этого случая характерна изотропия материала, а для роторов добавляется изотропия опор. Наличие изотропии опор шпинделя влечет за собой нарушение динамики вращения, например, проявление дисбаланса шпиндельного вала и др.

При нарушении симметрии, т.е. при наличии анизотропии материала (среды) формы колебаний качественно не изменяются, а собственные частоты численно становятся различимыми (расщепляются) и располагаются по обе стороны от номинального их значения.

Методика оценки технического состояния

В качестве критерия наличия и степени анизотропии используется эффект расщепления собственных частот. В работе [4] показано эмпирически, а в работе [5] подтверждено теоретическими результатами расчетных исследований, что достаточной характеристикой нарушения поворотной симметрии системы является параметр связанности парных форм колебаний

s_{m}={\frac {r_{m}}{\delta _{m}}} ,

где r_{m}=\left({\frac {f_{m}^{I}-f_{m}^{II}}{f_{m}^{0}}}\right) — коэффициент расщепления частотной парной формы колебаний; \delta _{m} — соответствующая этим формам колебаний диссипативная характеристика системы.

Экспериментальные исследования проводились с использованием следующих внутренних колец подшипников:

  • кольцо без дефектов;
  • кольцо с искусственно созданным дефектом (выполнена канавка на глубину 20 % от толщины основного материала и шириной 0,5 мм, с целью имитации трещины в кольце);
  • кольцо с искусственно созданным дефектом (выполнена канавка на глубину 50 % от толщины основного материала и шириной 0,5 мм, имитирующая развитую трещину в кольце).

Геометрические параметры и материал исследуемых подшипниковых колец выбирались одинаковыми. Искусственно созданные дефекты используемых подшипниковых колец были восстановлены ремонтным композиционным материалом «Chester Molecular» «Metal Super»  («Честер Молекуляр» «Металл Супер»). Второй эксперимент проводился с использованием восстановленных колец подшипников.

Проводились несколько независимых серий экспериментов с использованием виброанализатора «Оникс». Обработка результатов осуществлялась с помощью программы SAProny.

Заключение

При сравнении результатов проведенных экспериментов выяснилось, что значения коэффициентов расщепления частот в случае с восстановленными кольцами заметно ниже, чем у колец с искусственно созданными трещинами ( \Delta f_{21} = 382,31 Гц и \Delta f_{22} = 232,10 Гц; \Delta f_{31} = 924,84 Гц и \Delta f_{32} = 184,78 Гц).

Также стоит отметить, что значение собственных частот первой формы колебаний для подшипниковых колец с восстановленными дефектами близко к значению собственной частоты первой формы колебаний для подшипникового кольца без дефектов. Это говорит о том, что ремонтный материал повлиял на степень анизотропии материала подшипниковых колец, но при этом нарушение поворотной симметрии системы все еще присутствует. Вероятно, что при подборе другого состава ремонтного материала восстановленная деталь будет иметь модальные характеристики ближе к детали без дефекта.

Исходя из этого, можно сделать вывод о возможности использования коэффициента расщепления частот в качестве диагностического признака (критерия) асимметрии системы. Также применение композитного материала «Chester Molecular» «Metal Super» допустимо в качестве ремонтного материала деталей и узлов общетехнического назначения, о чем свидетельствуют результаты эксперимента.

Литература
  1. Sledkov Yu.G., Khoroshko L.L., Kuznetsov P.M. Reorganization of Machine-Tool Repair in Manufacturing. Russian Engineering Research, 2021, vol. 41, no. 12, pp. 1233–1235. https://doi.org/10.3103/S1068798X2112039X
  2. Sledkov Yu.G., Khoroshko L.L., Kuznetsov P.M., Management of business processes in short-run production. Russian Engineering Research, 2022, vol. 42, no. 3, pp. 282–285. https://doi.org/10.3103/S1068798X22030236
  3. Kuznetsov P.M., Khoroshko L.L. Digitalization of Multi-Object Technological Projecting in Terms of Small Batch Production. Invention, 2020, vol. 5, no. 38. https://doi.org/10.3390/inventions5030038
  4. Ewins D.J. The effects of detuning upon the forced vibrations of bladed disks. Journal of Sound and Vibration, 1969, vol. 9, no. 1. pp. 65–79. https://doi.org/10.1016/0022-460X(69)90264-8
  5. Матвеев В.В., Зиньковский А.П., Смертюк М.В. О границах применимости модели парных форм при исследовании колебаний поворотно-симметричных систем. Проблемы прочности, 1990, № 5, c. 106–109.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.