Колебания, возникающие при работе станков, вредно отражаются как на самом оборудовании и промышленных сооружениях, так и на здоровьи обслуживающего персонала. Поэтому необходимо периодически в процессе эксплуатации и после ремонта оборудования измерять параметры вибраций, не допуская превышения ими определенного уровня.
Нормы на допустимые вибрации станков регламентируют отраслевые стандарты и технические условия.
В широко распространенном случае, например, при вращении неуравновешенного ротора электродвигателя со шкивом, возникают так называемые гармонические или синусоидальные вибрации (рис. 1, а). В каждый момент времени t мерой вибрации может служить величина смещения s (вибросмещение), скорость колебательных движений v (виброскорость) и ускорение колебательных движений j (виброускорение).
Рис. 1. Колебательные процессы: а - гармоническое или синусоидальное колебание; б - периодический колебательный процесс (сплошные линии). Первая составляющая s1=A1sin ωt; вторая составляющая s2=A2sin(ωt+φ) (пунктирные линии) при φ=0 (кривая 1) и при φ=90° (кривая 2)
Амплитуды виброскорости V и виброускорения J определяют по формулам:
V = Aω; J = Aω2.
Отрезок времени T называют периодом колебания (сек). Величину, обратную периоду T, называют частотой колебания f и выражают в герцах (гц)
f = 1/T = ω/2π
При вращении неуравновешенной массы с числом в оборотов в минуту частота вибрации
f = n/60 гц
Вибрации, которые возникают при работе станков, чрезвычайно разнообразны: в одном случае они являются гармоническими или близкими к ним и для их определения достаточно измерения амплитуды смещения, скорости или ускорения и частоты; во многих случаях колебания представляют собой сумму гармонических колебаний с разными частотами и разными начальными фазами (см. рис. 1, б) и их оценка может быть произведена приближенно по размаху суммарной кривой или с помощью анализаторов, измеряющих амплитуду (А1 и А2 на рис. 1, б) и частоту каждой составляющей.
При сложении двух гармонических колебаний с большим отношением частот, размах и частоту каждой составляющей легко оценить по графику, как показано на рис. 2, а.
В случае сложения двух колебаний с близкими частотами возникают так называемые «биения» (рис. 2, б). Наибольший размах огибающей биения и горбе равен сумме размахов составляющих, наименьший размах в талии - их разности.
Рис. 2. Сложение колебаний: а - частота одной из составляющих колебания значительно больше частоты другой; б - частота одной из составляющих колебания незначительно отличается от частоты другой (биение): 1 - огибающая биения; Tб - период биения
Колебательные процессы негармонические, а иногда непериодические оценивают приближенно по наибольшему размаху (пиковому значению) или по среднему арифметическому, или среднеквадратичному от всех мгновенных значений колебательной величины за период или условно выбранный отрезок времени.
Среднеквадратичное от всех мгновенных значений колебательной величины за один период называют эффективным или действующим значением.
Единого стандартизованного метода измерения и оценки вибраций нет и потому при использовании тех или иных виброизмерительных приборов необходимо различать, какую величину они измеряют.
Трудности измерения вибраций станков усугубляются еще и тем, что амплитуды вибросмещений различных типов оборудования варьируются по величине от долей микрона до миллиметров, частоты от долей герца до десятков килогерц, а ускорение - от единиц g (ускорение силы тяжести) до нескольких сотен и тысяч g.
В практике почти исключительно применяют аппаратуру, состоящую из вибродатчика, в котором механические колебания, путем использования различных физических явлений, преобразуются в электрический сигнал, и виброизмерительного прибора, показания которого регистрируются стрелочным прибором или записываются на различного типа осциллографах или самописцах. Измерение вибрации неэлектрическими методами из-за ограниченности их применения не рассматриваются.
Контроль уровня вибраций технологического оборудования (корпусов электродвигателей, насосов, прессов, компрессоров), создающего вибрации на рабочих местах, производят датчиками абсолютных колебаний, называемыми также инерционными или сейсмическими датчиками.
Основной частью этих датчиков является инерционный элемент (инерционная масса), подвешенный на пружине, точку подвеса которой (корпус датчика) связывают с измеряемым объектом.
В большинстве случаев инерционные датчики жестко закрепляют в нужном направлении (вертикальном или горизонтальном) на корпусе объекта.
При измерении вибраций с небольшими ускорениями датчики можно устанавливать без закрепления на вибрирующей поверхности или прижимать их рукой. В обоих случаях необходимо следить, чтобы датчик не отрывался от измеряемого объекта.
Измерение колебаний фундаментов и пола на рабочем месте производят также инерционными датчиками. Вообще устройство фундаментов под станок является важной и ответственной задачей.
Для защиты здоровья обслуживающего персонала разработаны предельно допустимые величины вибрации, приведенные на рис. 3.
Рис. 3. Предельно допустимые уровни вибрации на рабочих местах. Примечание: Нормативы таблицы соответствуют непрерывному воздействию вибрации в течение рабочего дня. При продолжительности воздействия не более 20% рабочего времени указанные в таблице смещения и скорости допускается увеличивать, но не более чем в 1,5 раза.
Основную группу технологического оборудования на машиностроительных заводах составляют металлорежущие станки, измерение вибраций которых имеет ряд особенностей и трудностей.
Колебания в станках вызываются двумя причинами: потерей устойчивости относительного движения инструмента и заготовки, необходимого для осуществления процесса резания, и внешними воздействиями в виде сил инерции неуравновешенных вращающихся деталей (шлифовального круга, ротора электродвигателя, шкивов), ударов в гидроприводе, зубчатых колесах и т. п.
При потере устойчивости возникают автоколебания (вибрации при резании, дробление) и обработку, как правило, приходится прекращать. Вынуженные колебания, в зависимости от соотношения их частоты с числом оборотов изделия, непосредственно влияют на форму изделия, вызывая овальность, огранку, волнистость и шероховатость обрабатываемой поверхности. При этом качество обработки зависит от амплитуды не абсолютных колебаний станка, а относительных колебаний инструмента и заготовки в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности. Так, например, токарный станок, установленный на виброизолирующие опоры или фундамент на пружинах, может иметь большую амплитуду абсолютных колебаний корпуса передней бабки и суппорта при очень малой амплитуде относительных колебаний между шпинделем и резцедержателем.
И наоборот, например, сильное натяжение приводного ремня может вызвать резкое повышение уровня относительных колебаний шпинделя и резцедержателя, не увеличивая амплитуды абсолютных колебаний станка.
Амплитуда волны на обрабатываемой поверхности, определенной частоты (равной количеству волн, умноженному на число оборотов изделия в секунду), согласно теоретическим разработкам В. А. Кудинова, связана с амплитудой относительных колебаний той же частоты между инструментом и заготовкой, измеренных при холостом ходе, не прямой зависимостью, а так называемым коэффициентом устойчивости динамической системы станка.
Чем выше виброустойчивость станков, тем больше этот коэффициент и тем меньше станки при резании реагируют на вынужденные колебания одной и той же интенсивности одного и того же источника возмущения. В большинстве случаев амплитуды вынужденных колебаний низких частот [частот вращения валов, ротора электродвигателя, шпинделя (25-50 гц)] при резании уменьшаются, а амплитуды вынужденных колебаний более высоких частот (от 100 гц и выше) - увеличиваются.
Устойчивость системы серийных станков, так же как и уровень колебаний при холостом ходе, в решающей степени зависят от качества их изготовления и сборки.
Измерение относительных колебаний между инструментом и заготовкой можно осуществить непосредственно в тех типах станков, в которых рабочее вращательное движение имеет заготовка [токарные, револьверные, карусельные станки (рис. 4, а)] или инструмент (фрезерные, расточные, алмазно- и координатно- расточные, плоскошлифовальные станки).
Рис. 4. Схемы измерения колебаний станков на холостом ходу: а - токарные и токарно-винторезные станки; б - круглошлифовальные станки; в - внутришлифовальные станки; г и д - резьбошлифовальные станки; е и ж - координатно-расточные станки; 1 - регулируемая оправка; 2 - датчик относительных колебаний; 3 - суппорт; 4 - корпус шлифовальной бабки; 5 - датчик; 6 - оправка; 7 - гильза внутришлифовальной головки
В тех станках, в которых вращается и заготовка и инструмент (в кругло-, резьбо-, внутришлифовальных и зубофрезерных станках), непосредственное измерение относительных колебаний выполнить сложно пока и поэтому измеряют вибрации между узлами, несущими инструмент и заготовку, при схеме измерения, наиболее близко отвечающей условиям работы (рис. 4, б).
В ряде случаев измерение вибраций быстровращающихся шпинделей, оправок и т. п. относительно неподвижных узлов (стола, суппорта) можно заменить измерением относительно тех же узлов вибраций корпуса, пиноли, гильзы, в которых эти шпиндели вращаются.
Такие схемы измерений удобны для кругло-, внутри- и резьбошлифовальных, координатнорасточных и других станков (рис. 4, в).
Общими условиями проверки колебаний станков на холостом ходу являются следующие:
Измерение колебаний производят после проверки станка, по нормам точности при той же установке его на башмаках или виброизолирующих опорах.
Шпиндели приводятся во вращение с теми числами оборотов, на которых выполняют чистовую обработку образца при проверке станка в работе, согласно соответствующим ГОСТам на нормы точности.
Проводя испытания станков после ремонта рекомендуется выполнять проверку на нескольких (не менее четырех) ступенях чисел оборотов, включая максимальные.
За меру вибраций принят размах вибросмещения составляющих спектра в диапазоне частот до 1500 гц.
Рекомендуется для измерения и частотного анализа вибраций применять селективный микровольтметр с датчиком и интегрирующей ячейкой. При отсутствии этого комплекта может быть использована другая аппаратура с датчиками, измеряющими отпосительные колебания.
При использовании селективного микровольтметра определяют размах вирбосмещения каждой составляющей спектра, наибольший из наблюдаемых по шкале прибора в течение 10 - 20 сек.
При записи колебаний оценивают также наибольший размах каждой составляющей спектра (см. рис. 2, а).
При колебаниях типа биений (рис. 2, б) на стрелочном приборе наблюдают медленные периодические качания стрелки и фиксируют наибольшее показание из наблюдаемых в течение трех периодов биения. Случайные резкие выбросы показаний отбрасывают.
Результаты измерений составляющих спектра рекомендуется оформлять в виде графика, в котором в логарифмических координатах по оси абсцисс откладывают частоты в герцах, а по оси ординат величины размахов соответствующих составляющих в микронах.
Размах каждой из составляющих не должен превышать допускаемого по нормали станкостроения, ГОСТам или техническим условиям.
Нормали станкостроения разработаны для токарных, внутришлифовальных, резьбошлифовальных, координатнорасточных и круглошлифовальных станков. Для последних проверка уровня колебаний введена в нормы точности по ГОСТу 11654-65.
Допускаемые размахи по выпущенным нормалям приведены на рис. 5.
Рис. 5. Допускаемый размах вибросмещений составляющих спектра колебаний. Примечание: величины, указанные в скобках - ориентировочные.
