CC BY
96
УДК 621.941
М.И. Тимошин, магистрант, 8-920-270-39-36, Maxtrock71 @mail. т (Россия, Тула, ТулГУ),
С.Ф. Золотых, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-1-887 (Россия, Тула, ТулГУ)
ДИАГНОСТИКА УЗЛОВ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ИХ ЧАСТОТНО-СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Рассмотрены методы и средства диагностики технического оборудования и возможности их применения к диагностике металлорежущих станков. Разработана методика использования динамических характеристик для сертификации токарных станков.
Ключевые слова: диагностика металлорежущих станков, частотно-спектральный анализ, сертификация,, интегрированная система диагностики.
Для обеспечения безопасной эксплуатации ныне действующего оборудования все с большей остротой встает вопрос его технического диагностирования с целью определения остаточного ресурса. При эффективном диагностировании технического состояния металлорежущих станков (МРС) и своевременном принятии профилактических мер, затраты на технический осмотр и ремонт могут быть уменьшены на 20-25 %.
Бесперебойное и безотказное эксплуатирование станков обеспечивается качеством их технического состояния. Одним из важнейших показателей качественного состояния станка является динамическая характеристика его систем.
Проблема обеспечения заданного динамического качества является далекой от решения, что объясняется, прежде всего, ее сложностью и недостаточной изученностью. Эффективными способами обеспечения качества работы станочного оборудования являются оптимизация динамических параметров на этапе синтеза, или проектирования, применение виброзащитных систем и конструкций на этапе эксплуатации, диагностика и мониторинг технического состояния станков.
В связи с данной проблемой были рассмотрены и проанализированы методы диагностирования технического оборудования (рис. 1) и предложена схема сертификации токарных станков на основе использования динамических характеристик данных станков. Также приведена методика использования динамических характеристик для сертификации токарных станков.
Целью данной работы является повышение эффективности технического работоспособности и обслуживания (уменьшение времени и затрат на ремонт и обслуживание оборудования) за счет разработки и внедрения методических основ использования динамических характеристик для сертификации токарных станков
Метод временных интервалов
Методы диагностики
Достоинства: простота реализации
Недостатки: узость исследования
_*_
Метод нормированных модулей параметров
Достоинства: большое число исследуемых параметров
Недостатки:
экономическая
нецелесообразность
Метод типовых зависимостей
Достоинства: достоверность измерений по скоростям, длиннам ходов, допустимым колебаниям,усилий и ускорений, крутящих моментов...
Недостатки: узкая специализация
Тестовый
Интегрированн ый метод
Достоинства:
- применение ЭВМ, с датчиками от узлов и механизмов;
- сокращение потерь времени;
- повышение результативности испытаний
Недостатки:
- не учитывается вероятностная природа отказов;
- применение специальных стендов для тестирования;
- тестирование только в ходе профилактического ремонта
Достоинства:
- применение ЭВМ;
- оперативность;
- высокая степень достоверности;
- возможность прогнозирования условий эксплуатации
Недостатки:
высокая
трудоемкость
Рис. 1. Методы диагностирования станков и станочных комплексов
В России законодательно установлено, что некоторые группы продукции должны быть сертифицированы обязательно, без сертификата их просто нельзя выпускать в обращение. К такой продукции относятся и металлообрабатывающие станки, в том числе и металлорежущие, они включены в Номенклатуру продукции, в отношении которой законодательными актами Российской Федерации предусмотрена обязательная сертификация продукции.
Металлорежущие станки должны проверяться на соответствие требованиям технического регламента, но пока такой документ не создан, проверяется выполнение положений стандартов или технических условий, если они относятся к безопасности станков. При этом проверяется электробезопасность, конструктивная безопасность и электромагнитная совместимость. Кроме того, установлены и проверяются показатели энергоэффективности, уровни шума, вибрации, содержания в воздухе вредных веществ и эргономические параметры.
На данный момент одной из немаловажных проблем диагностики МРС является нехватка сертификационных показателей о диагностике МРС в паспорте станка.
В работе рассматривается частотно-спектральный метод диагностики технического состояния (ТС), как наиболее информативный и эффективный метод, который позволяет оценивать любые динамические колебания в станках. Этот метод получил широкое распространение во многих отраслях промышленности. Минусом этого метода является недостаточная изученность. Ограничение возможностей применения из-за отсутствия опорных (эталонных) спектров частот для сравнивания с полученными в ходе диагностики.
Для исследования частотно-спектральных характеристик шпиндельного узла токарного станка была выбрана автономная портативная система оценки вибрационного состояния технических объектов РОМ 2106 (рис. 2). Коллектор данных РОМ 2106 представляет собой малогабаритный блок с автономным питанием, позволяющий осуществлять ввод и запись в энергонезависимую память временных реализаций вибросигналов, отражающих механические колебания объекта в контрольных точках (рис. 3.).
Рис. 2. Портативная система РВМ-2106
Область применения частотно-спектрального метода диагностики: проведение экспресс-анализа технического состояния станка; определение и при необходимости повышение технологической точности станка; определение дефектов (в том числе скрытых) и устранение их на этапе возникновения; прогнозирование износа узлов и деталей станка; планирование сроков проведения ремонта, заказа комплектующих и запчастей для ремонта.
Таким образом, встает вопрос о выявлении числа необходимых датчиков. Эта тема является актуальной для понижения себестоимости и повышения надежности систем диагностики и наблюдения. Одним из способов решения подобной задачи является разработка математической модели для описания связи между случайными процессами, фиксируемыми датчиками и выбор числа необходимых датчиков, руководствуясь оценкой степени близости по критерию среднего квадрата ошибки.
Рис. 3. Спектры вибрации шпиндельного узла (ШУ) токарного станка: а - эталонный спектр частот, снятый с ШУ нового станка; б - эталонный диапазон; в - спектр частот, снятый с ШУ станка отработавшего некоторое время
Имея данные, взятые с датчиков оперативного контроля, попробуем установить динамические характеристики, определяющие характер связи между информацией с различных датчиков.
Поскольку структурная конфигурация системы считается неизвестной и относительно нее не делается никаких предположений, задача идентификации сводится к поиску решения в функциональном пространстве, то есть пространстве функционалов, описывающих систему.
В. Вольтерра впервые использовал для описания зависимости между входным и выходным сигналами нелинейной системы степенные ряды, членами которых являются функционалы. Фактически, ряд
204
функционалов Вольтерра, состоящий из членов, зависящих от входного сигнала х(г):
у(г) = к0 + |кДт)х(г - т^т + | |к2(т1,т2)х(г -т1)х(г - т2)dт1dт2 +
0 0 0 (1)
да да да
| | |к3(т1,т2,т2)х^ - т1)х(1 -т2)х^ - т3)dт1dт2dт3 +...
или
У(1) = кп (т1..-тп) -т1).х(^-тп )dтl..dт
п = 0
является обобщением представления линейной системы интегралом свертки.
Таким образом, применение корреляционного анализа позволяет оценить целесообразность использования нескольких датчиков при диагностике технической системы.
Выбран принцип построения систем вибродиагностики и прогнозирования.
В устройствах прогнозирования виброреологических процессов производится аппаратурная реализация алгоритмов и определение т^, для которого выполняется условие g(т) = 1. В качестве примера рассмотрим устройство, в котором осуществляется следующий алгоритм прогнозирования :
g(т) = е<
X е( zmk (0) -А к)
- D\ (2)
В данном устройстве на основании измерений амплитуд вибрации для т = 0 и сравнения с Ак определяется параметр g (т) и находится временная характеристика т^, определяющая параметрическую надежность рассматриваемой системы. Время ттлх оценивается как временной интервал от момента т = 0 до момента, когда изменяющееся значение:
X е(2тк -Ак )
Хв (т)
(3)
станет не меньше параметра D.
Используя совместное функционирование устройств диагностики и прогнозирования виброреологических процессов, можно диагностировать такие параметры как переменные и уводящие моменты, нестабильность эксплуатационных параметров и параметрический ресурс.
Новый станок на заводе изготовителе проверяется на соответствие ТУ согласно блок-схеме с применением интегрированной системы диагностирования технологического оборудования в соответствии с рисунком 4 по принятой на данном предприятии методике для контроля качества
да
п
к
X
к
сборки узлов и станка в целом. Если не соответствий не обнаружено, то системой выдается сертификат качества с отправкой станка на склад.
Станок
Контроль качества сборки узлов станка
~1
Направляющие скольжения
Привод главного движения
Проверка качества функционирования изготовленного станка на соответствия ТУ
Применение интегрированной системы диагностирования для выявления причин несоответствия ТУ
Применение интегрированной системы диагностирования для выдача сертификата качества
Рис. 4. Блок-схема сертификации технических характеристик
изготовляемого станка
В случае обнаружения не соответствия станка ТУ применяют интегрированную систему диагностирования для их выявления. После устранения неисправности и повторной проверки системой выдается сертификат качества, и новый станок отправляется на склад.
Список литературы
1. Ястребова H.A. и другие. Техническая диагностика и ремонт компрессоров. - М.: ЦНИИТЭхимнефтемаш, 1991, 4.2.-60с.
2. Максименко С.В., Поляков Г.Н., Труфанов А.Н. Методы и средства технической диагностики оборудования компрессорной станции. Обзорная информ. Серия "Транспорт и подземное хранение газа".- М.: ВНИИЭгазпром, 1990.-66с.
3. Явленский А.К., Явленский К.Н., Теория динамики и диагностики систем трения качения. Л.: Изд-во ЛГУ, 1978. - 184 с.
M.I. Timoshin, S.Z. Zolotix
DIAGNOSTIC PARTS MACHINE BASED ON THE ANALYSIS OFFREQUENCY-SPECTRAL CHARACTERISTICS
The methods and means of diagnostics of technical equipment and possibilities of their application to the diagnosis of machine tools. The technique of dynamic characteristics for the certification of lathes.
Key words: diagnosis of machine tools, frequency-spectrum analysis, certification, integrated diagnostic system.
Получено 19.06.12
