Даниленко А.В., канд.техн.наук., Яхно А.С., студ.

Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут“

Дослідження віброакустичних характеристик металорізальних верстатів

Діагностування верстатів може здійснюватися за різними факторами, що супроводжують робочі процеси верстата. Мабуть найпростіше реєструвати шум, який несе в собі інформацію про вібрації усіх елементів верстата, як тих, що безпосередньо задіяні в передачі технологічних навантажень, так і „пасивних“, які не від’єднані від активної частини кінематичного ланцюга [1].

Рівень віброакустичної активності з одного боку, реєструється і оцінюється як одна з характеристик якості верстата та безпечності його для робітника з точки зору дотримання санітарних норм, а з іншого – як джерело інформації про технічний стан верстата. Згідно з міждержавним стандартом [2] порівняння і оцінку даних по шуму машин використовують:

а) в якості вихідної інформації про рівні шуму конкретних сімейств машин, наприклад, коли потрібно встановити вимоги для новостворюваних машин;

b) для надання споживачеві та/або покупцеві машин або обладнання можливості порівнювати подібні машини за шумом;

c) для надання інформації робочим групам, які розробляють стандарти з безпеки машин, стандарти з випробувань на шум і/або керівництва по зниженню шуму конкретних сімейств;

d) для інформування органів влади, на які покладено нагляд за умовами праці та контроль здоров’я і безпеки працюючих;

e) для інформування виробників і інших потенційних користувачів баз даних по шуму;

f) для інформування консультантів-акустиків, які використовують прийняті методи для первинної оцінки рівня шуму на місці установки машин.

Прийняття рішення стосовно заходів, необхідних для конкретного верстата, потребує ідентифікації проблемних складових [1]. Ідентифікація елементів з підвищеною віброакустичною активністю здійснюється за визначеними розрахунками частотами, що можуть генеруватись цими елементами, порівнянням їх із значеннями спектрів зареєстрованих коливань.

Розрахунки здійснювались для частини кінематичної схеми верстата моделі 1А62 – коробки швидкостей (рис. 1) [3].

Рис. 1 Кінематична схема приводу головного руху верстата мод. 1А62.

Коливання (вібрації) можуть виникати внаслідок: незрівноваженості деталей, що обертаються; перезачеплення зубців зубчастих передач (можливі джерела коливань найбільшої інтенсивності); гранності тіл кочення підшипників; хвилястості доріжок кілець підшипників; радіальних зазорів в підшипниках; похибок виконання монтажу; пульсації магнітного потоку в повітряному зазорі електродвигуна; перемагнічування активного заліза електродвигуна та ін. [4].

Виходячи з припущення щодо можливої інтенсивності джерел коливань, розрахунки виконуються стосовно незрівноваженості деталей, що обертаються та перезачеплення зубців зубчастих передач. При розрахунках враховано, що частина коліс постійно знаходиться у зачепленні (Z₃-Z₄-Z₅-Z₁₀, Z₁₄-Z₂₆, Z₂₃-Z₂₄).

Подальший аналіз віброакустичної активності відбувається за частотами, наведеними в [Гц], тому частота обертання електродвигуна наводиться в обертах за секунду:

f_ед = n/60 = 1440/60 = 24 Гц (n = 1440 об/хв – номінальна частота обертання електричного двигуна)

і результати всіх подальших розрахунків також матимуть розмірність [Гц].

Частота обертання вала I, [Гц], складатиме:

f_вI = f_ед×d_шед/d_швI = 24×130/260 = 12 Гц,

це також частота коливань, викликаних незрівноваженістю деталей, змонтованих на валу I, і самого вала.

На вал II може бути передано три частоти обертання:

f_вII-1 = f_вI×Z₁/Z₆ = 12×56/34 = 19,765 Гц;

f_вII-2 = f_вI×Z₂/Z₇ = 12×51/39 = 15,692 Гц;

f_вII-3 = f_вI×Z₃/Z₄×Z₅/Z₁₀ = 12×50/24×36/36 = 25 Гц (ланцюг реверсу).

Частота обертання зубчастих коліс, встановлених на проміжній осі VII,

f_вVII = f_вII-3 (Z₅/Z₁₀ = 1).

Перезачеплення зубців зубчастих передач, задіяних в цій частині кінематичного ланцюга, викликають коливання з частотами:

f_Z1-Z6 = f_вI×Z₁ = 12×56 = 672 Гц;

f_Z2-Z7 = f_вI×Z₂ = 12×51 = 612 Гц;

f_Z3-Z4 = f_вI×Z₃ = 12×50 = 600 Гц.

Додатково потрібно врахувати не від’єднані зубчасті колеса ланцюга реверса, перезачеплення зубців яких генерує коливання з частотами:

f_Z10-Z5-1 = f_вII-1×Z₁₀ = 19,765×36 = 711,54 Гц;

f_Z4-Z3-1 = f_вII-1×Z₁₀/Z₅×Z₄ = 19,765×36/36×24 = 474,36 Гц;

f_Z10-Z5-2 = f_вII-2×Z₁₀ = 15,692×36 = 564,912 Гц;

f_Z4-Z3-2 = f_вII-2×Z₁₀/Z₅×Z₄ = 15,692×36/36×24 = 376,608 Гц.

Частоти коливань, що можуть генеруватись рештою елементів приводу головного руху верстата, розраховуються за аналогічними міркуваннями.

Джерела коливань та частоти, що ними генеруються, відображені у символьному записі, на прикладі одного з можливих включень кінематичних ланцюгів коробки швидкостей, позначеному лінією „^“ (Рис. 2).

Рис. 2 Символьне зображення джерел вібрацій кінематичного ланцюга,
вибраного як приклад для розрахунку (n_шп = 362 об/хв)

Значення n_шп = 362 об/хв не відповідає наведеному в паспорті [3] n_шп = 367 об/хв через помилку в паспорті – частота обертання валу I, позначена на кінематичній схемі у паспорті, 730 об/хв але 1440×130/260=720 об/хв.

Цьому варіанту з’єднання кінематичного ланцюга відповідають розрахункові частоти, наведені в табл. 1, та розрахунковий спектр (рис. 3).

Таблиця 1

Розрахункові значення можливих частот та їх джерела
при обраному варіанті включення приводу головного руху верстата

Залежність	Розрахункова частота, Гц	Джерело коливань
fед = n/60	1440/60 = 24	електричний двигун
fвI = fед×dшед/dшвI	24×130/260 = 12	незрівноваженість деталей (НЗД) на валу I і самого вала
fZ2-Z7 = fвI×Z2	12×51 = 612 повторення для двох коліс	перезачеплення зубців зубчастих (ПЗЗ) коліс Z2 та Z7
fвII-2 = fвI×Z2/Z7	12×51/39 = 15,692	НЗД на валу II і самого вала
fв′VII-2 = fвII-2×Z10/Z5	15,692×36/36 = 15,692 повторення fвVII-2 = fвII-2	НЗД на осі VII (Z5, Z4) для не від’єднаного ланцюга реверса

Продовження табл. 1

fZ10-Z5-2 = fвII-2×Z10	15,692×36 = 564,912 повторення для двох коліс	ПЗЗ коліс Z10 та Z5 для не від’єднаного ланцюга реверса
fв′I-2 = fв′VII-2×Z4/Z3	15,692×24/50 = 7,532	НЗД співосних з валом I для невід’єднаного ланцюга реверса
fвIII-2 = fвII-2×Z9/Z12	15,692×20/52 = 6,035	НЗД на валу III і самого вала
fZ4-Z3-2 = fвVII-2×Z4	15,692×20 = 313,84	ПЗЗ коліс Z9 та Z12
fZ14-Z26-2 = fвIII-2×Z14	6,035×50 = 301,75	ПЗЗ коліс Z14 та Z26
fвVI-2 = fвIII-2×Z9/Z12	6,035×50/50 = 6,035	НЗД на валу VI і самого вала

Рис. 3 Розрахунковий спектр вибраного для прикладу кінематичного ланцюга

Подібні спектри і розрахунки існують для кожного варіанта включення кінематичного ланцюга коробки швидкостей і будуть корисними при виконанні діагностики верстата. Загальний спектр частот, що можуть генеруватись при будь-яких включеннях приводу головного руху, дозволить визначити чи виявлені коливання пов’язані з розглянутими джерелами збурень.

Розрахунками частот, що можуть генеруватись в коробці швидкостей верстата при різних варіантах з’єднання її кінематичного ланцюга, викликаних незрівноваженістю валів та деталей на них, а також перезачепленням зубців зубчастих передач, одержано понад 300 значень. Більшість з них повторюються різну кількість разів. На рис.3 наведено спектр одержаних розрахунком можливих частот коливань з врахування кратності їх повторюваності. Повторення частот враховані збільшенням висоти штрихів на розрахунковому графіку.

Рис. 3 Загальний спектр за спрощеним розрахунком для верстата 1А62

Виконаний аналіз кінематичної схеми і обчислення частот збурення можуть бути використані як вихідна інформація для здійснення експериментального дослідження віброакустичної активності верстата і діагностики його стану.

Використана література.

1. Исследование виброустойчивости при поперечной обработке и разработка устройств для отрезки прутка фрезами на МТА: Отчет о НИР (заключительный) / Киев. политехн.ин-т (КПИ); Руководитель И.Г. Федоренко.- № ГР 01840032739; Инв.№ 0287.0072711. – Киев, 1987. – 98 с.

2. ГОСТ 31327-2006. Шум машин. Метод сравнения данных по шуму машин и оборудования. (ISO 11689:1996) Межгосударственный стандарт. – М.: Стандартинформ, 2006. – 20 с.

3. Токарно-винторезный станок модель 1А62. Руководство по уходу и обслуживанию. – М.: ЦБТИ. 1955. – 78 с.

4. Исследование виброакустических характеристик токарно-винторезных станков // В.Б. Струтинский, А.В. Шевченко, А.В. Даниленко, Джаалук Али / Вестник НТУУ "КПИ". Машиностроение. – К.: 1999 – вып.34, с. 112-121