Исследование зависимости собственных частот роторной системы с вертикально расположенным ротором от предварительного натяга

Полный текст

Введение

Высокоскоростная обработка – это методология обработки, которая фокусируется на чрезвычайно быстрых, но легких режимах резания с низким давлением. Результатом является общее увеличение скорости удаления материала. Важным фактором в оценке процесса высокоскоростной механической обработки (HSM-обработки) и в частности фрезерования (HSC) является производительность станков, что определяет стоимость производства и повышение качественных характеристик процесса обработки. При этом должно обеспечиваться динамическое качество ШУ станка для сохранения износостойкости инструмента и его ресурса, а также обеспечения точности обработки [1, 2].

В станках высокоскоростного фрезерования используют электрошпиндели. Их применение обусловлено высокими скоростями вращения шпинделя с электрическим приводом [3–5]. Шпиндель в таких узлах представляет собой короткое массивное тело, поэтому его можно считать абсолютно жестким валом на упругих опорах. В опорах используют подшипники качения, а именно радиально упорные шарикоподшипники, которые обеспечивают необходимые жесткостные характеристики при высоких скоростях вращения [6, 7, 8–10]. Характеристики опор качения, такие как рабочая температура опоры, жесткость, поперечные и продольные отклонения шпинделя узла в целом, виброактивность, во многом зависят от правильно подобранного значения предварительного натяга.

В настоящей статье проверяется применимость методики определения усилия предварительного натяга для более габаритных шарикоподшипниковых узлов, применяемых во фрезерных электрошпинделях при вертикальном расположении шпинделя.

Для этих целей был разработан экспериментальный стенд.

Описание экспериментального стенда

Общая схема экспериментального стенда показана на рис. 1. Объектом исследования является подшипниковый узел, надежно прикрепленный болтовым соединением к оснастке.

Оснастка представляет собой телескопическую конструкцию, благодаря этому возможно обеспечить регулировку высоты подшипникового узла. Оснастка шестью болтами жестко закреплена к массивной стальной плите.

 

Рис. 1. Схема экспериментального стенда

 

Подшипниковый узел состоит из двух одиночных радиально-упорных подшипников 7004 ACD_P4A [11, 12]. Подшипники установлены по схеме «О», между внутренними обоймами на валу установлена дистанционная втулка, внутренней обоймой передний подшипник упирается в бурт вала, сзади болтом и шайбой пакет элементов фиксируется на валу. Передний подшипник наружной обоймой упирается в крышку, а задняя опора – плавающая (рис. 2).

Стенд сконструирован таким образом, чтобы предварительный натяг в подшипниковом узле создавался за счет хода штока пневмоцилиндра. К штоку жестко прикреплен тензодатчик (для измерения и контроля силы предварительного натяга) с промежуточным валом. Шар из высокопрочной стали запрессован с противоположной стороны промежуточного вала и через чашевидную втулку равномерно передает усилие от пневмоцилиндра на наружную обойму заднего подшипника. Пневмоцилиндр установлен на вертикальном держателе, который жестко закреплен на массивной плите. На гильзе подшипникового узла отфрезерованы лыски параллельно и перпендикулярно к плоскости установочной плиты. На лысках над наружными обоймами подшипников нарезаны резьбы под установочные места акселерометров (см. рис. 2).

 

Рис. 2. Экспериментальный стенд в разрезе

 

Производителем радиально-упорных подшипников 7004 ACD_P4A является компания SKF [11, 12]. Данные о значениях величины предварительного натяга взяты из официальной документации подшипников. При частоте вращения до 38000 об/мин предварительный натяг подшипника лежит в диапазоне от 50 Н до 400 Н.

Отдельно от приспособления крепления подшипникового узла, на штативе с плечом установлен соленоид, с помощью которого формируется кратковременное ударное воздействие на вал в области передней опоры и возбуждается вибрация.

Информационно-измерительная система

Система предназначена для съема и записи информации от акселерометров, тензодатчика, а также для управления соленоидом. Информационно-измерительная система состоит из датчиков виброускорения PCB 352C34, датчика силы Vishay 614, контроллера NI-cRIO-9056, модулей NI 9250, NI 9237 и NI 9481 и программного обеспечения, написанного на языке Labview фирмы National Instruments [13].

Использовался датчик виброускорения PCB 352C34 со встроенной электроникой стандарта ICP. Акселерометр подключался к модулю NI 9234. В табл. 1 приведены характеристики акселерометра PCB 352C34.

 

Таблица 1. Характеристики акселерометра

Наименование	Размерность	PCB 352C34
Осевая чувствительность (± 10 %)	мВ/g*1	100
Амплитудный диапазон	g*1	± 50
Частотный диапазон (± 5 %)	Гц	0,5–10000
Частотный диапазон (± 10 %)	Гц	0,3–15000
Разрешение	м/с2	0,0015
Резонансная частота	кГц	≥ 50
Нелинейность	%	≤ 1
Поперечная чувствительность	%	≤ 5
Температурный диапазон	0С	-54 до +93
Чувствительность к деформации крепления	(м/с2)/ µε	0,0029
Спектральный шум (100 Гц)	(µм/с2)/√Гц	33
Спектральный шум (1000 Гц)	(µм/с2)/√Гц	14
Чувствительный элемент	–	Керамика
Нагрузка чувствительного элемента	–	Сдвиговая
Материал корпуса	–	Титан
Размер	мм	11,2×22,4
Масса	грамм	5,8
Разъем	–	10-32 Coaxial Jack
Государственный реестр СИ	–	№ 76059-19

 

Датчик силы Vishay 614 установлен между штоком пневмоцилиндра и чашевидной втулкой, является тензодатчиком, собранным по полномостовой схеме, выход которого подсоединяется к одному из каналов модуля NI 9237. Характеристики используемого датчика силы Vishay 614 приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Характеристики датчика

Наибольший предел измерения, Н	500	Рабочий диапазон температур, °С	–10...+40
Рабочий коэффициент передачи, Мв/В	2	Предельно допустимая нагрузка, %	150
Класс точности, ±Мв/В	0,2	Решающая нагрузка, %	300
Ползучесть за 30 мин, %	0,05	Рекомендуемое напряжение питания, В	10
Баланс нуля, ±Мв/В	0,02	Макс. напряжение питания, В	15
Температурный дрейф нуля, %/°С	0,01	Класс защиты	IP67
Входное сопротивление, Ом	415±15	Материал	Нержавеющая сталь
Выходное сопротивление, Ом	350±3	Длина кабеля, м	1

 

Сигнальная панель NI 9250 представляет собой модуль аналогового ввода с предварительной фильтрацией для интеллектуального подключения пьезоэлектрических датчиков (IEPE), а также сигналов постоянного и переменного тока, с частотой дискретизации до 51,2 кГц. Для оцифровки аналогового сигнала использовался 24-битный дельта-сигма АЦП. Схема входной цепи модуля NI 9250 приведена на рис. 3.

 

Рис. 3. Входная цепь NI 9250 для одного канала

 

Панель NI 9237 представляет собой модуль с межканальной изоляцией. Модуль позволяет одновременно оцифровывать четыре входных аналоговых канала с помощью 24-разрядных АЦП. Схема возбуждения применялась во всех входных режимах, в которых необходимо возбуждение. АЦП совместно со схемами возбуждения реконфигурировались во всех режимах для согласования с каждым типом датчика. На рис. 4, а представлена входная цепь для одного канала NI 9237, а на рис. 4, б – схема подключения датчиков в полу- и полномостовой схеме.

 

Рис. 4. Входная цепь для одного канала NI 9237 и схема подключения датчиков: а – входная цепь одного канала NI 9237; б – схема подключения датчиков в полу- и полномостовом исполнении (пунктирной линией представлена часть цепи, подключаемая только в полномостовом режиме)

 

Методика проведения эксперимента

Строго перпендикулярно продольной оси подшипникового узла с помощью соленоида передавался кратковременный импульс. Программа управления соленоидом дает возможность контроля параметра длительности импульса возбуждения (15 мс), сигнал управления соленоидом формируется с помощью одного из каналов дискретного модуля NI 9481. Расстояние соленоида от поверхности вала строго определенное, что обеспечивает одинаковую силу удара. Для восьми значений усилия предварительного натяга, Н: 50; 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400 были проведены по три ударных воздействия одинаковой силы.

Полученные сигналы виброускорений записывались в виде файлов с расширением *tdms в память ПЭВМ (рис. 5).

 

Рис. 5. Отклики виброускорения канала 0 и канала 1 при 150 Н: а – направления оси удара и оси акселерометра перпендикулярны; б – направления оси удара и оси акселерометра соосны

 

Для всех значений предварительного натяга были получены амплитудные спектры. Для значений преднатяга 20, 60, 150 Н на рис. 6, а приведены графики амплитудных спектров сигналов виброускорений нулевого канала, а на рис. 6, б – графики амплитудных спектров сигналов виброускорений первого канала.

Из визуального анализа графиков амплитудных спектров видно, что с увеличением усилия предварительного натяга происходит перетекание спектра в область более высоких частот. Особенно хорошо это видно на рис. 5 для сигналов нулевого канала. Таким образом, в качестве критерия оценки предварительного натяга можно использовать такую интегральную оценку, как абсцисса центра тяжести спектра сигнала виброускорения [14–17].

 

Рис. 6. Графики амплитудных спектров сигналов виброускорений: а – нулевого канала; б – первого канала

 

Заключение

Исходя из анализа можно сделать следующие заключения

1. Методику определения предварительного натяга [14–17] можно применять для подшипников, используемых в опорах шпиндельных узлов для высокоскоростного фрезерования.
2. Методику определения предварительного натяга [14–17] можно применять для узлов с вертикальным расположением шпинделя.
3. При вертикальном расположении шпинделя направление удара должно быть перпендикулярно оси акселерометра. При таком расположении сигнал отклика визуально более однозначно выражен на частотной оси. То есть при перпендикулярном расположении акселерометра и оси направления удара сигнал отклика менее зависит от силы удара и в нем отсутствуют ярко выраженные вторичные всплески.

Об авторах

Эрик Сергеевич Гаспаров

Самарский государственный технический университет

Email: ericgasparov@rambler.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры "Электронные системы и информационная безопасность"

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Геворг Арменович Маркосян

Самарский государственный технический университет

Email: Emgeemge@mail.ru

аспирант кафедры "Информационно-измерительная техника"

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Ольга Юрьевна Казакова

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: kazakova8080@mail.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры "Технология машиностроения, станки и инструменты"

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы