УДК 620.178.53 (035)

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВИБРАЦИОННОГО ПОЛЯ ТОКАРНОГО ПРЕЦИЗИОННОГО СТАНКА В РЕЖИМЕ ХОЛОСТОГО ХОДА

 

RESEARCH OF SPECTRAL CHARACTERISTICS OF THE VIBRATION FIELD OF THE TURNING PRECISION MACHINE IN THE IDLING MODE

 

Фирсов Г.И. (Институт машиноведения РАН, г. Москва, РФ)

Firsov G.I. (IMASH RAS, Moscow, Russia)

 

Изложены результаты экспериментального исследования спектральных характеристик колебаний токарных станков повышенной точности в режиме холостого хода. Выявлены основные источники вынужденных колебаний в станках.

The results of a experimental study of the spectral characteristics of fluctuations of lathes of the increased accuracy in the idling mode are stated. The main sources of the compelled fluctuations in machines are revealed.

 

Ключевые слова: токарный станок, режим холостого хода, виброустойчивость

Key words: lathe, idling mode, vibrostability.

 

В диагностике динамического качества металлорежущих станков, так называемой вибрационной диагностике, измеряемыми и анализируемыми параметрами служат вибрации и излучаемый шум станков [1, 2]. С другой стороны, исследование точностных и виброакустических характеристик токарных станков тесно связано с анализом динамического поведения элементов упругой системы станка в режиме холостого хода. В частности [1], высота неровностей на обработанной поверхности Аf, определяется отношением амплитуды относительных колебаний заготовки и инструмента при холостом ходе Ах к коэффициенту устойчивости динамической системы станка на частоте fa потенциально неустойчивой формы колебаний системы Азн, определяемому как расстояние от точки с координатами (-1, i0) на комплексной плоскости до точки, соответствующей частоте fa, на частотной характеристике Wраз разомкнутой системы Аf = Ах / Азн. Поэтому для повышения точности обработки и уменьшения влияния вынужденных колебаний на качество обрабатываемых поверхностей необходимо снижать уровень внешних (по отношению к процессу резания) возмущений и повышать устойчивость динамической системы станка.

Согласно разработанным в [1] основным принципам нормирования колебаний холостого хода, необходимо строго регламентировать амплитуды относительных колебаний между изделием и инструментом или несущими их узлами в определенном диапазоне частот. Решению этого вопроса уделялось основное внимание во многих работах [2, 3]. Настоящая статья посвящена исследованию вибрационного состояния различных узлов токарного станка для последующего решения одной из задач вибрационной диагностики - выявления основных источников возникновения и путей распространения вибрационной энергии и разработки мероприятий по уменьшению уровня колебаний в станке.

В качестве объекта исследования были выбраны токарно-винторезный станок повышенной точности модели 1П611 с наибольшим диаметром устанавливаемого изделия 250 мм и токарный станок повышенной точности мод. 16У04П с типичной для станков этого типа компоновкой. Привод главного движения этого станка включает асинхронный электродвигатель, вариатор с широким клиновым ремнем, зубчатую и клиноременную передачу. Измерения, регистрация и обработка информации производились с помощью аппаратуры фирмы «Брюль и Кьер».

В процессе эксперимента определялись вибрации в различных точках станка при последовательном включении в работу отдельных узлов привода и при изменении скорости вращения шпинделя в диапазоне 31,5-3000 об/мин.

Анализ полученных спектрограмм колебаний узлов станка показал их сложный полигармонический характер, что вызвано многообразием источников возмущений и динамическими свойствами упругой системы и обусловливает необходимость привлечения для их анализа методов теории случайных процессов [4].

Для получения достоверных оценок характеристик исследуемых процессов необходимо, чтобы отношение уровня мощности полезного сигнала к значению мощности собственных шумов аппаратуры было достаточно велико [4]. Как показала обработка экспериментальных данных для станка 16У04П (табл. 1), это отношение превышало 200 для вариатора и 10000 для клиноременной передачи. Полученные значения отношения сигнал/шум можно считать вполне приемлемыми для решения задач диагностики.

Полученные значения дисперсии колебаний при прямом вращении шпинделя, сопровождающемся слышимым стуком в кинематике станка, более чем в два раза превышают величины дисперсии колебаний при реверсе, когда стук не был слышен. Следовательно, дисперсия процесса может рассматриваться как один из информативных параметров, характеризующих состояние станка.

 

Таблица 1 – Оценка дисперсии колебаний узлов станка

Точки измерении

в опорах

Оценка дисперсии, отн. ед.

Прямое вращение

Реверс

Фон

Вариатора

281

276

1,2

276

303

315

284

Клиноременной передачи

489

289

0,02

433

212

559

244

Расчетные величины дисперсии (см. табл. 1), а также форма гистограмм процессов колебаний в каждой фиксированной точке измерений при неизменных режимах испытаний с течением времени изменяются в пределах 10-25%, что в первом приближении может служить основанием для допущения стационарности и эргодичности случайного процесса колебаний холостого хода станка.

Как известно [1-3], основным источником вынужденных колебаний в станке является работающий привод главного движения. Действующие при работе привода возмущения характеризуются как интенсивными периодическими составляющими, обусловленными вращением неуравновешенных элементов привода, зубчатыми и ременными передачами и т.п., так и случайными составляющими, имеющими широкий частотный спектр и возникающими от одновременного действия большого количества источников, приложенных в различных точках динамической системы станка.

 

Таблица 2 – Уровни вибрации узлов станка на различных частотах

Частота,

Гц

Уровни вибрации, дБ

Частота,

Гц

Уровни вибрации, дБ

I

II

III

IV

V

I

II

III

IV

V

24

38

38

54

46

50

410

-

-

-

50

-

38

51

42

65

59

42

425

-

-

-

-

70

50

38

39

58

49

48

510

-

-

-

-

62

75

42

41

57

46

48

600

-

-

-

56

-

100

51

50

62

49

47

625

-

-

-

 

65

125

44

44

62

35

-

71

-

-

-

50

-

150

49

40

67

46

64

725

-

-

65

-

-

175

46

42

-

-

-

740

57

50

-

-

60

200

45

-

61

45

60

880

53

50

-

58

59

225

-

44

-

-

-

1170

-

-

-

42

64

300

-

-

-

44

58

1200

52

-

64

-

-

355

56

52

60

48

66

1325

49

-

71

42

-

Очевидно, что колебательная система станка ведет себя как совокупность частотных фильтров, выделяющих определенные гармонические составляющие колебаний. При этом, на всех исследованных элементах упругой системы - станине (I), передней (II) и задней (III) бабках, суппорте (IV), коробке скоростей (V) - спектр колебаний весьма плотен (табл. 2, пmп = = 750 об/мин). Имеются составляющие, повторяющиеся на всех элементах, в частности возбуждаемая в приводном двигателе составляющая на частоте 24 Гц. Достаточно интенсивно выделяются составляющие на частотах, приблизительно кратных данной: 50; 75, 100 Гц и т.д., что объясняется избирательными нелинейными свойствами системы [4], отчетливо проглядываются гармоники с частотами пересопряжения зубьев (например, 880 Гц), вызванные погрешностями изготовления и сборки зубчатых передач привода. На задней бабке, суппорте и станине выделяется составляющая с собственной частотой суппорта, равной 125 Гц, на всех элементах станка прослеживается составляющая с собственной частотой шпинделя (355 Гц).

Для определения влияния элементов привода на колебания холостого хода проводились измерения вибрации узлов станка при снятых ремнях клиноременной передачи. Результаты экспериментов представлены в табл. 3. Как видно, включение в работу ременной передачи и шпиндельной группы вызывает достаточно резкое увеличение амплитуды вибраций (по сравнению с работой одного электродвигателя и коробки скоростей). Как следует из полученных данных, уровень вибрации на коробке скоростей возрастает незначительно (нa 2-3 дБ), в то время как нa всех остальных узлах станка уровень вибрации существенно повышается (на 17­25 дБ). Это свидетельствует о том, что значительную долю в общем балансе вибрации составляют колебания, вызванные ременной передачей и неуравновешенностью быстровращающихся частей привода шпинделя.

Анализ амплитудно-скоростные характеристик вибрации элементов упругой системы показал, что имеются ступени чисел оборотов шпинделя (например, 95, 265, 750 и 3000 об/мин), на которых резко увеличивается уровень вибрации узлов станка. Это связано с изменением чисел оборотов валов коробки скоростей, вызывающих сближение частоты пересопряжения зубьев зубчатых передач с собственными частотами узлов.

 

Таблица 3- Уровень виброускорений узлов станка при снятых ремнях клиноременной передачи

Узлы стaнкa

Уровень виброускорений, дБ

при снятых ремнях

на холостом ходу

Коробка скоростей

86

88

Станина

52

69

Передняя бабка

58

78

Задняя бабка

56

76

Суппорт

52

75

 

Таким образом, экспериментально подтверждена возможность возбуждения свободных колебаний отдельных элементов конструкции токарного станка при наличии источника внешнего возбуждения со спектром, содержащим составляющие с частотами, близкими к частотам собственных колебаний узлов. Наиболее интенсивные вынужденные колебания наблюдаются на частотах основных возмущающих сил и на собственных частотах упругой системы станка.

Список использованных источников

1. Кудинов В.А. Динамика станков [Текст] / В.А. Кудинов. - М., Машиностроение», 1967. – 359 с.

2. Аджемян, В.Г. Исследование вибраций холостого хода токарно-винторезного станка 1691 [Текст] / В.Г. Аджемян, В.А. Авакян // Промышленность Армении. – 1964. - № 5. – С.12-15.

3. Соболев В.С. Исследование колебаний холостого хода токарного станка [Текст] / В.С. Соболев. // Повышение точности и производительности обработки на станках. Вып. 2. – Красноярск: Красноярский политехн. ин-т, 1973. – С.63-67.

4. Добрынин С.А. Методы автоматизированного исследования вибрации машин [Текст] / С.А. Добрынин, М.С. Фельдман, Г.И. Фирсов. - М.: Машиностроение, 1987. – 222 с.