employee from 01.01.2014 to 01.01.2021
Samara, Russian Federation
employee
Samara, Samara, Russian Federation
graduate student
Samara, Samara, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
GRNTI 55.29 Станкостроение
The purpose of this work is to support dynamic properties of spindle units in grinding machines. For this there are problems under solution for the definition of the origin of the constituents in the spindle unit vibratory activity by means of the linear increase of electric spindle rotation frequency, obtaining and analyzing a vibratory acceleration signal for the possibility to determine a preload. The vibratory acceleration signal was investigated through a spectrum analysis method. A scientific novelty of investigation consists in the substantiation of possibility to determine a preload by means of the spectrum analysis of a vibration acceleration signal at the linear increase of spindle rotation frequency that is at starting. It gives, in its turn, a possibility for the automated estimate of the spindle unit state before cutting beginning. In the experimental way there are obtained temporal realizations of the vibratory acceleration signal at different efforts of the preload. A high-speed grinding motor-spindle is as a basic element of the bench, which was investigated through the methods of testing diagnostics in the operation. In the bench design there were made some alterations. The bench was supplemented with the systems essential to support motor-spindle full operation, in particular: with systems of lubrication, cooling and drive control. There was revealed a large number of harmonics multiple to 50 Hz, which tells of the connection with the frequency of power supply circuit. Their coincidence with the own frequencies of the spindle unit results in the considerable increase of their amplitudes. To increase dynamic quality one should avoid the cases of the coincidence of switching frequencies and circuit harmonics with own frequencies of the electric spindle. It is also necessary to bring a form of power voltage to a pure harmonic oscillation to decrease the impact of a drive electromagnetic field upon dynamic characteristics of the spindle unit.
bearings, vibratory acceleration, preload, spectral properties, frequency, rotor
Введение
В металлорежущих станках широко используются шпиндельные узлы (ШУ) на опорах качения, как наиболее экономичные, надежные и простые в эксплуатации. Шпиндельные узлы современных станков являются наиболее ответственным элементом в общей цепочке обеспечения качества обрабатываемых поверхностей. Высокие скорости вращения шпинделей ведут к тому, что сравнительно небольшие дефекты в его подшипниковых узлах через короткое время приводят к деградации подшипника и потере точности станка в целом. На ранней стадии развития дефекты подшипника еще не сказываются на точности обработки, но они уже позволяют прогнозировать будущий отказ [1-2].
Реализация высоких требований, предъявляемых к долговечности, быстpоходности и точности таких ШУ зависит от многих факторов, в том числе и от возможностей использования результатов компьютерного анализа при их пpоектиpовании. Методы виброакустической диагностики – наиболее эффективный инструмент для выявления зарождающихся дефектов подшипниковых узлов. Эти методы целесообразно применять и на стадии создания технологического оборудования, и на стадии эксплуатации для принятия своевременных мер по техническому обслуживанию или ремонту шпиндельного узла [3].
Влияние вибрации на качество обрабатываемой поверхности неоднозначно. Если высокочастотная вибрация может оказывать положительное действие на процесс резания, то наличие низкочастотной вибрации вызывает волнистость обрабатываемой поверхности, увеличивает шероховатость и ухудшает качество обрабатываемой поверхности. В связи с этим исследование возможности определения природы возникновения составляющих вибрационной активности шпиндельного узла путем линейного увеличения частоты вращения электрошпинделя и анализа сигнала виброускорения можно считать актуальным.
Значительное влияние в виброактивность шпиндельного узла оказывают электромагнитные силы привода. Их вклад в вибрацию шпиндельного узла превышает 90 % [4-9].
Устройство экспериментального оборудования
Устройство экспериментального оборудования (рис. 1) для исследования составляющих вибрационной активности электрошпинделя шлифовального станка подробно рассмотрено в работах [4-6]. Электрошпиндель состоит из вала, смонтированного на двух радиально-упорных шариковых подшипниках. Конструкция экспериментального оборудования была дополнена системами смазки, охлаждения и управления приводом.
Для исследования электрошпинделя применялись методы тестового диагностирования, которые также подробно рассмотрены в работах [5, 6].
Рис. 1. Устройство экспериментального оборудования
Акселерометр был закреплен на корпусе электрошпинделя у передней подшипниковой опоры (рис.1). Датчик температуры и система охлаждения обеспечивали необходимый температурный режим работы высокоточных подшипниковых опор (рис. 2).
Датчик АР2100 компании «Globaltest» на основе вихретокового преобразователя контролировал частоту вращения электрошпинделя.
Для получения, сохранения и обработки информации в виде временных реализаций виброускорения, была использована система, состоящая из акселерометра, тензометрического датчика, контроллера (шасси) NI cDAQ 9172, модулей сбора NI 9219 и NI 9234 и программного обеспечения фирмы NI Sound and Vibration Assistant. Был применен аксселерометр АР 98 с встроенным усилителем стандарта ICP [10].
Рис. 2. Расстановка датчиков на шпинделе
1-акселерометры, 2-датчик температуры,
3-вихретоковая датчиковая система, 4-лыска
Для преобразования аналогового сигнала в цифру использовался дельта-сигма аналого-цифровой преобразователь (АЦП) разрядностью в 24 бита. На рис.3 приведена схема предварительного каскада модуля сбора NI 9234.
Рис. 3. Предварительный каскад NI 9234 для одного канала
Вращение электрошпинделя обеспечивалось использованием частотного преобразователя с широтно импульсной модуляцией. Частотный преобразователь имел большой запас по мощности для того, чтобы обеспечить заданную частоту вращения с минимальной девиацией, порядка 0,01 -0,02% от необходимой частоты вращения. Такая точность частоты вращения обеспечивалась на всем диапазоне используемых значений усилия предварительного натяга. Точность частоты вращения дополнительно контролировалась за счет данных получаемых с вихретокового датчика, которые сопоставлялись с выходными данными спектрального анализа сигналов виброускорения. Преобразователь частоты имел линейную зависимость выходного напряжения от установленной частоты вращения.
Проведение эксперимента и анализ спектра сигнала виброускорения
Эксперимент проводился следующим образом. ПЧ был настроен так, чтобы скорость вращения шпинделя увеличивалась линейно и с ускорением 10 Гц в секунду или 600 об/c. Небольшое ускорение позволило получить большие значения спектральной плотности мощности за счет анализа более длительных временных промежутков и тем самым улучшить соотношение сигнал/шум (помеха).
Экспериментальным путем были получены временные реализации сигнала виброускорения при различных усилиях предварительного натяга. Данные реализации были разбиты на несколько последовательных участков длительностью 10 секунд и получены их спектральные преобразования. Ниже, на рис. 4, приведены спектральные преобразования для значения предварительного натяга 2 Н. Частотная шкала приведена в диапазоне от 0 до 1600 Гц.
а)
б)
в)
г)
Рис. 4. Спектральная характеристика мощности сигнала виброускорения для диапазонов вращений:
а - 6-12 тыс. об/мин; б - 12-18 тыс. об/мин; в - 18-24 тыс. об/мин; г - 24 -30 тыс. об/мин
Из анализа спектров рис. 4 хорошо видно, что с увеличением частоты вращения шпинделя часть частотных диапазонов спектра перетекает в область более высоких частот. На основе такого анализа можно сделать вывод о взаимосвязи этих частотных диапазонов с частотой вращения шпинделя. Там, где частоты вращения шпинделя и привязанные к ним вынужденные частоты совпадают с собственными частотами электрошпинделя, наблюдается увеличение амплитуды (рис. 4в, г). Это также хорошо видно и на рисунке 4 а, б. На рис. 4а в диапазоне частот от 400 до 700 Гц видно, что, несмотря, на увеличение частоты вращения шпинделя, «полка» АЧХ имеет спадающий фронт с увеличением частоты. Это связано с тем, что в области 400 Гц находится собственная резонансная частота шпиндельного узла. А на рисунке 4б в диапазоне от 700 до 1000 Гц «полка» АЧХ имеет нарастающий фронт с увеличением частоты, что большей степени связано с наличием резонансных частот в районе 1000 Гц, чем с увеличением частоты вращения шпинделя.
При этом, как видно, из рис.4 а-г, неизменными по частоте остается линейчатый (дискретный) спектр в области низких частот от 0 до 950 Гц. Их величина во много раз превышает значение вынужденных частот спектра и сосредоточена в очень узкой полосе частот с последовательностью в 50 Гц. На основе этого можно сделать вывод, что данные частоты не привязаны к частоте вращения шпинделя и являются результатом влияния электромагнитных сил привода.
Схожие результаты были получены для других значений предварительного натяга. Для спектрального анализа их временные реализации разгонов также были разделены на последовательные временные отрезки длительностью 10 секунд. Исследование их спектральных характеристик показало, что на их спектральных диаграммах также присутствуют гармоники кратные сетевой частоте с амплитудами значительно превышающие амплитуды на вынужденных частотах. Также их анализ показал наличие участков собственных частот шпиндельного узла, имеющих смещение в область более высоких частот с увеличением значения предварительного натяга. Это также подтверждает возможность автоматизации получения данных о значении предварительного натяга опор при запуске шпиндельного узла.
Выводы
Разгон можно использовать для определения диапазонов собственных частот, а, значит, и для определения усилия предварительного натяга [4, 11]. Выявлено большое количество гармоник кратных 50 Гц, что позволяет сделать вывод о связи с частотой сети питания. Совпадение их с собственными частотами шпиндельного узла приводит к значительному увеличению их амплитуд.
В случае, когда для управления приводом используется частотный преобразователь, чтобы обеспечить параметрическую надежность и динамическое качество, нужно учесть коммутационные частоты преобразователя, а также частоты кратные сетевой частоте.
Чтобы повысить динамическое качество необходимо избегать случаев совпадения частот коммутации и сетевых гармоник с собственными частотами электрошпинделя. Также нужно привести форму напряжения питания к чистому гармоническому колебанию для того, чтобы уменьшить воздействие электромагнитного поля привода на динамические характеристики ШУ.
1. Homyakov, V. S. Eksperimental'noe i raschetnoe issledovanie dinamicheskih harakteristik shpindel'nyh uzlov / V. S. Homyakov, N. A. Kochinev, F. S. Sabirov // Stanki i instrument. - 2009. - № 3. - S. 5 - 9.
2. Vibroakusticheskaya diagnostika zarozhdayuschihsya defektov : monografiya / F. Ya. Balickiy, M. A. Ivanova, A. G. Sokolova [i dr.] - Moskva : In-t mashinovedeniya im. A. A. Blagonravova, 1984. - 118 s.
3. Kozochkin, M. P. Vyyavlenie defektov shpindel'nyh uzlov vibroakusticheskimi metodami / M. P. Kozochkin, F. S. Sabirov // Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviacionnogo tehnicheskogo universiteta. - 2009. - T. 13. - №1(34). - S. 133 - 138.
4. Gasparov, E. S. Obespechenie dinamicheskogo kachestva vysokoskorostnyh shpindel'nyh uzlov na osnove modelirovaniya i bezrazbornoy ocenki sostoyaniya opor : special'nost' 05.02.07 «Tehnologiya i oborudovanie mehanicheskoy i fiziko-tehnicheskoy obrabotki» : dis. na soiskanie uchenoy stepeni kand. tehn. nauk / Gasparov Erik Sergeevich; UlGTU. - Ul'yanovsk, 2016. - 174 s. – Bibliogr.: s. 148-162.
5. Gasparov, E. S. Eksperimental'naya ocenka zavisimosti vibrodiagnosticheskih parametrov shpindel'nogo uzla ot velichiny predvaritel'nogo natyaga ego opor / E. S. Gasparov, A. F. Denisenko, L. B. Gasparova // Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2015. - №2(46). – S. 152-158.
6. Gasparov, E. S. Opredelenie usiliya predvaritel'nogo natyaga podshipnikovyh opor shlifoval'nogo shpindelya. / E. S. Gasparov, A. F. Denisenko, L. B. Gasparova // Sborka v mashinostroenii, priborostroenii. - 2015. - №9. – S. 126-129.
7. Sabirov, F. S. Povyshenie effektivnosti stankov na osnove ih diagnostirovaniya i opredeleniya vibroustoychivosti v rabochem prostranstve: special'nost' 05.03.01 «Tehnologii i oborudovanie mehanicheskoy i fiziko-tehnicheskoy obrabotki» : dis. na soiskanie uchenoy stepeni dok. tehn. nauk / Sabirov Fan Sagirovich; Mosk. gos. tehnol. un-t «Stankin». – Moskva, 2009. - 269 s. – Bibliogr.: s. 238-269.
8. Vibroakusticheskaya diagnostika opor shpindeley stankov dlya vysokoskorostnoy obrabotki / M. P. Kozochkin, F. S. Sabirov, D. N. Suslov, A. P. Abramov // Stanki i instrument. - 2010. - № 6. - S. 17-21.
9. Golovatenko, V. G. Sposob povysheniya tochnosti vrascheniya vala rotora elektroshpindelya / V. G. Golovatenko, Yu. V. Skorynin, N. T. Minchenya // Stanki i instrument. - 1983. -№6. - S.15 -16.
10. Gasparov, E. S. Opredelenie racional'nyh chastot vrascheniya rotorov s cel'yu minimizacii ih radial'nyh bieniy / E. S. Gasparov, V. I. Petrunin // Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Seriya: Tehnicheskie nauki. - 2018. - №1(57). – S. 61-67.
11. Gasparov, E. S. Mathematical model of spindle unit bearing assembly / E. S. Gasparov, L. B. Gasparova // Lecture Notes in Mechanical Engineering. – 2020. – Vol.1- P. 725–731.
