Система вибродиагностики станочного электропривода

Последние десятилетия XX века и первые наступившего XXI характеризуются глубокими изменениями качественной стороны производства: повсеместно применение станков с ЧПУ, широкое распространение производств без участия человека, применение прогрессивных технологий и различных видов современного режущего инструмента. За этот период произошел значительный рост темпов и объёмов производства в машиностроении и в смежных отраслях.

В условиях роста объемов производства, время простоя оборудования по причинам внезапного выхода из строя оборачивается колоссальными издержками, не говоря уже о сумме самого ремонта.

Необходимость минимизации времени простоя, сокращение сроков ремонта и фактов выхода из строя требует внедрения современных технологий диагностики оборудования в целом и отдельных базовых и ответственных его деталей и узлов, в частности.

По каким параметрам (кроме механических) оценивать состояние станка? 

Полезно обратиться к опыту смежных отраслей промышленности — энергетике, где состояние турбин электродвигателей вентиляторов, насосов и другого промышленного оборудования оценивают по параметрам вибрации (ГОСТ ИСО 10816).

Однако в энергетике есть четкие нормы и правила, когда агрегат можно эксплуатировать, а когда, наоборот, направить в ремонт.

Для станочных приводов подобные рекомендации индивидуальны и зависят от многих факторов.

Относительно недавно был принят ГОСТ 34479-2018, призванный систематизировать накопленный опыт различных предприятий России, но как отмечают сами авторы — «Настоящий стандарт является базовым нормативным документом и представляет одну из первых составляющих будущей общей актуализированной методики — системы ППР», что лишь подчеркивает значимость разработок в данной области.

Еще немало важным моментом является то, что в приведенном ГОСТ идет речь больше о методике организации службы ТОиР (техническое обслуживание и ремонт), нежели о деталях вибродиагностики. Когда речь идет об оборудовании, применяемом для замеров вибрации, то основной упор сделан на системах западного производства (Emerson, Omative, Montronix). В свете международных санкций, недооценивание актуальности задачи разработки и внедрения отечественных систем, недальновидно.

Задачи и цели вибродиагностики

Вибродиагностика — метод диагностирования технических систем и оборудования, основанный на анализе параметров вибрации либо создаваемой работающим оборудованием, либо являющейся вторичной вибрацией, обусловленной структурой исследуемого объекта.

Техническая диагностика — это область науки и техники, изучающая и разрабатывающая методы и средства определения и прогнозирования технического состояния механизмов, машин и оборудования без их разборки.

Основной целью диагностики технического состояния металлообрабатывающих станков с ЧПУ является предотвращение внезапных отказов в их работоспособности и снижение простоев. С помощью диагностики решаются следующие задачи:

• своевременное выявление дефектов узлов и деталей оборудования;
• поддержание эксплуатационных показателей оборудования в установленных пределах.
• прогнозирование технического состояния (ТС) узлов и оборудования в целом;
• планирование ТОиР оборудования по фактическому состоянию.

Этапы оценки технического состояния оборудования

Первым этапом оценки ТС любого оборудования является определение номенклатуры дефектов, которые представляют наибольшую опасность для его функционирования и должны обнаруживаться в процессе диагностики.

Второй этап — это определение совокупности диагностических признаков, которые могут быть измерены для определения технического состояния объекта.

Третий этап оценки технического состояния — это оптимизация совокупности диагностических параметров. Она должна отражать развитие всех дефектов, определяющих ресурс контролируемого узла или машины в целом. При этом желательно, чтобы каждый параметр из выбранной совокупности зависел бы преимущественно от одного вида дефекта.

Ремонт шпиндельного узла как наиболее частая причина поломки

В открытом доступе есть статистика анализа причин отказа станочного оборудования на предприятии РКЦ «Прогресс» в период с 2014 по 2016 годы. Наиболее длительные простои возникают при ремонте шпиндельного узла (ШУ), значит в ходе работ по диагностике логично будет сосредоточить внимание именно на нем.

В 80% случаев основной причиной выхода ШУ из строя является повреждение подшипников передней или задней опоры вала. Данный дефект проявляется нехарактерным шумом во время работы, повышенной вибрацией или температурой в зоне подшипниковых опор, а также заклиниванием.

Причиной данных неисправностей, как правило, служит удар ШУ о заготовку или поворотный стол, несоблюдение паспортных требований производителя по техническому обслуживанию и эксплуатации или неисправность других систем станка, сопряженных с ШУ. Оставшиеся 20% причин выхода ШУ из строя включают широкий спектр всевозможных дефектов, которые возникают вследствие некорректной эксплуатации. Наиболее частыми причинами неисправностей, причисляемыми к данной группе, можно считать следующие: 

• износ или деформация инструментального конуса, посадочных мест подшипников на валу или в корпусе, 
• повреждение устройства фиксации инструмента, обмоток статора, датчиков или ротационного соединения. 

Примером некорректной эксплуатации может служить эксплуатация при повышенной вибрации. Повышение вибрации в этом случае вызвано: использованием неотбалансированного инструмента, несоответствия режимов реза, несоответствие подобранного инструмента, износ / поломка инструмента.

Таким образом, главной причиной выхода из строя ШУ являются подшипники. Методов вибродиагностики подшипников достаточно много, основные из них описаны далее.

Метод ПИК-фактора

Данный метод отличается простотой реализацией и заключается в периодическом контроле двух параметров вибрации: среднеквадратичное значение (СКЗ) виброускорения и пика амплитуды виброускорения (положительного, отрицательного или размаха). С развитием дефекта кривая пика амплитуды монотонно растет, аналогичный рост, но с отставанием по времени, показывает и кривая СКЗ. 

Сами по себе кривые ПИКа и СКЗ малоинформативны, чего нельзя сказать об ПИК-факторе — отношении пикового значения виброускорения к его СКЗ (рисунок 1).

Рисунок 1 — Метод ПИК-фактора

Кривая ПИК-фактора имеет выраженный максимум, со времени появления которого, как показала практика, остаточный ресурс подшипника составляет порядка 2-3 недель.

Метод эксцесса

Эксцесс — статистическая величина, характеризующая отклонение плотности вероятности мгновенных значений вибросигнала от нормального распределения (распределения Гаусса). Эксцесс принято характеризовать коэффициентом эксцесса. При появлении в подшипнике микро- и макро- ударов, кривая плотности вероятности принимает более островершинный характер (рисунок 2) и по значению коэффициента эксцесса можно судить о степени развития дефекта.

Рисунок 2 — Плотность вероятности ВЧ вибрации (а — исправного подшипника, б — с дефектом поверхности качения).

Метод ударных импульсов

Ударные импульсы — импульсы малой энергии, генерируемые на частотах 28-32 кГц соударениями деталей подшипника и изменениями давления в зоне качения подшипников. В случае работы исправного подшипника наблюдается некоторый «ковровый» фон ударных импульсов, генерируемый силами трения. При повреждениях подшипника во временной реализации ударных импульсов появляются пиковые значения, причем амплитуда пиков тем больше, чем больше скорость соударений и более сильно развит дефект. Таким образом, по пиковым амплитудам ударных импульсов можно достоверно диагностировать наличие и глубину дефектов.

Рисунок 3 — Метод ударных импульсов

Метод прямого спектра (автоспектра)

Данный метод заключается в анализе частотных спектров, получаемых с помощью виброанализаторов (рисунок 4).

Рисунок 4 — Спектр вибрации

Амплитудные всплески, наблюдаемые на автоспектрах, несут полезную диагностическую информацию, так как возбуждаются дефектами исследуемого оборудования. Причём каждому виду дефекта соответствуют свои гармоники, которые однозначно просчитываются в зависимости от кинематики и скорости вращения оборудования. 

По наличию в спектре тех или иных гармоник определяют возникновение соответствующего дефекта, а по амплитуде гармоник — о степени развития дефекта. 

Есть ряд других более или менее известных способов, описанных, к примеру в патенте РФ № 2209410, патенте РФ № 2680640.

Представленные методы давно и успешно применяются для дигностики широкого парка промышленного оборудования в энергетике, нефтехимии и других отраслях. Отсюда и большое разнообразие систем вибродиагностики, стационарных и мобильных, основанных на данных методах. К примеру, наберется довольно много Российских производителей подобных систем: «Висом», «Диамех», «Ассоциация «ВАСТ», «Виброцентр» и т.д., а также иностранных — IFM, OMRON, Emerson, Pruftechnik и других.

Вибродиагностика станочного привода

Если систем вибродиагностики настолько много, то почему задача вибродиагностики станочного привода остаётся актуальной, почему у всех крупных фирм производителей станков своя собственная система: у Siemens — Omative, у Fanuc — Iadapt, у DMG MORI — Montronix?

На то есть ряд причин. Дефекты в ШУ как уже было отмечено развиваются очень быстро, периодические обследования мобильными приборами не так эффективны, поэтому используются стационарные системы.

С другой стороны, как говорит практика ремонтных служб, львиная часть дефектов связана со случайными соударениями связки ШУ + инструмент с элементами станка либо заготовок.

Чтобы не допустить продолжительных ударных воздействий на ШУ системы вышеперечисленных производителей снабжены функцией виброзащиты, при обнаружении ударного ускорения — система формирует сигнал аварийного останова станка.

Чем быстрее будет обнаружен удар и система выдаст сигнал останова, тем менее катастрофичными будут последствия. В качестве примера можно привести график на рисунке 5.

Рисунок 5 — Зависимость стоимости ремонта от времени срабатывания.

Montronix заявляет время реакции — не более 1 мс.

Ещё одну особенность станочного привода, которая делает задачу вибродиагностике шире её классического понимания в других отраслях промышленности, подсказывает причина выхода из строя ШУ в результате повышенной вибрации. Повышенная вибрация в данном случае образуется не в результате неисправности или соударения, а в нарушении таких параметров как: балансировки инструмента либо неправильно выбранные параметры резания (подача, скорость вращения, глубина резания).

Дисбаланс ШУ из представленных систем распознаёт система фирмы Omative. Затем, в случае дисбаланса, инструмент с оправкой обычно балансируют в специальном балансировочном станке либо применяют виброгасящие оправки. Перестановка инструмента со станка на балансировочный станок требует дополнительное время и сами балансировочные станки стоят дорого.

В случае параметров резания задача снижения вибрации дополнительно усложняется. На практике получаются ситуации, когда на определённых оборотах ШУ при сохранении остальных параметров резания, наблюдаются повышенные вибрации. Связано это с резонансными явлениями в системе ШУ — деталь — резец — рама. В таком случае нужно работать либо до резонансной частоты либо после, то есть повысить или понизить скорость вращения и пройти участок резонанса. Без системы адаптивного управления, сама по себе система вибродиагностики в данном случае либо выдаст предупреждение либо остановит станок. Чтобы устранить подобное поведение системы, придётся вносить изменения в программу обработки детали либо завышать пороги срабатывания защиты, что чревато.

В частности, по этой причине иностранные компании, производители станков, обычно используют совмещенную систему видбродиагностики и адаптивного управления.

Однако, единого подхода пока не наблюдается.

Фирма DMG MORI вместе с компанией Мontronix управляет подачей по сигналу вибрации, тем самым добиваясь увеличения производительности станка (рисунок 7).

Рисунок 6 — система регулирования подачи

У Siemens управление подачей было реализовано раньше, на основе данных о токе потребляемом шпинделем (рисунок 7).

Рисунок 7 — система регулирования подачи.

Адаптивное управление подачей даёт ощутимый экономический эффект за счёт снижения времени обработки детали. FANUC заявляет цифры до 50%.

Все рассмотренные системы управляют только подачей и никак не влияют на другие параметры резания. Работы в данном направлении носят пока лишь теоретический характер, например, описаны в статье: Journal of Engineering Research Vol. 6 No. June 2018 pp. Автор данной статьи предлагает управлять ещё и скоростью резания. На взгляд автора это имеет смысл как раз в контексте обхода резонансов при обработке детали.

Российские производители станков пока вовсе не выработали собственных решений в области вибромониторинга. До недавнего времени была актуальна следующая бизнес модель — если шпиндель ломается, то это скорее плюс, нежели минус, так как производитель станка осуществляет негарантийный ремонт (как правило ошибка оператора — см. статистику выше) за дополнительную оплату.

Необходимость оснащения станков системами вибромониторинга стала очевидной только недавно, в связи с санкционным давлением. На сайте производителя систем ЧПУ Инэлси можно найти новость от 19.07.2023, в которой объявлено, что «Проведены успешные испытания работы СЧПУ IntNC PRO с системой мониторинга вибраций Montronix».

Заключение

Таким образом, можно сделать вывод, что задача по разработке системы вибромониторинга станочного привода является актуальной. Для станочного привода есть своя специфика, которая накладывает дополнительные требования на систему. Единого подхода для решения вышеописанных проблем в мировой практике нет. Среди российских производителей систем вибромониторинга нет специализированных решений для станочного привода. Можно выделить три направления исследования при разработке новой системы: виброзащита с временем срабатывания значительно меньше 1 мс, так как чем быстрее останавливается ШУ, тем меньше последствия для детали, инструмента и самого шпинделя, мониторинг дисбаланса, с возможностью его устранения без дополнительных систем балансировки, система адаптивного контроля работы станка по данным вибрации и оборотов вращения.

Автор — Магидов Роман, начальник ОКБ-1 «Висом»