В современной металлообрабатывающей промышленности широко используются автоматизированные, оснащены системами программного управления, станочные комплексы, высокая производительность которых зависит от качества режущего инструмента. Одной из наиболее сложных технологических операций при обработке металлов резанием является фрезерование поверхностей [1]. Отсутствие эффективных средств оперативной оценки износа фрезы вызывает его поломку или снижение точности обработки, приводит к браку изделия и потере рабочего времени.

Постановка задачи

Анализ эксплуатации станков обнаружил тот факт, что режущий инструмент в технологической системе резания является наиболее слабым элементом от которого зависит надежность и производительность обработки. Одной из главных причин снижения точности и качества обработки детали является изменение размеров режущего инструмента в результате его износа [2].

Недостаточная стойкость инструмента приводит к потере качества детали и вызывает увеличение простоя станков, связанного с заменой инструментов, сопровождается уменьшением производительности и, как следствие, к уменьшению эффективности производства.

Решить данную проблему можно с помощью диагностики, позволяющая по косвенному диагностическому признаку, например, уровню звука, генерируемого процессом резания, прогнозировать момент замены режущего инструмента. Показателем износа инструмента является его стойкость, т.е. при достижении инструментом допустимой величины его износа. Стойкость в значительной степени определяет основные исходные показатели механической обработки: производительность , экономичность и качество поверхности детали.

Исследования

Для достижения поставленной задачи предложена система контроля на основе виброакустических сигналов, с помощью которой измеряется шум, генерируемый в процессе резания и проводится анализ характера его изменения по мере износа инструмента [3].

Описание работы системы

При включении станка 1, в начальный момент процесса резания, снимают сигнал с датчика 2, который представляет собой гармоничный шумоподобный сигнал, или, иначе говоря, сумму частотных составляющих. Виброакустические сигналы с датчика 2 поступают на блок частотного выбора 5, где на каждом проходит выделение частоты, на которую настроен частотный выбор. При этом, если время нарастания определяется линией пропускания частотного выбора то время падения зависит как от частотного выбора, так и от уровня помех на входе частотного выбора и это время значительно превышает время нарастания. Для каждого частотного выбора все частоты, кроме частоты настройки, будут являться препятствиями, соответственно время падения сигнала на выходе любого частотного выбора будет опаздывать, что будет соответствовать неверной информации о процессе резания. Для того, чтобы устранить неверный состояние, в начале временного интервала проходит принудительное гашение выходного сигнала на каждом частотном выборе. В результате гашения на выходе частотного выбора сигналы отсутствуют. При снятии сигнала гашения на выходе частотного выбора проходит нарастание сигналов. Момент от снятия гашения к срабатыванию пороговых устройств в блоке 7, наиболее достоверно отражает процесс резания как спектр частотных составляющих виброакустического сигнала.

Блок формирования временных интервалов 4 выдает сигналы на гашение частотного выбора по сигналу с датчика оборотов шпинделя 3, который устанавливается на станке. В этом случае анализ виброакустических сигналов, сопровождающий процесс резания, проходит в зоне отработанного материала.

По окончании импульса гашения и при наличии сигнала на входе проходит нарастания сигнала на выходе частотного выбора, который поступает на блок амплитудных детекторов 6, где проходит выделение огибающей сигнала. Количество амплитудных детекторов равно количеству частотных выборов. Огибающие частотных сигналов поступают на вход блока пороговых устройств 7, количество которых равно количеству частотных выборов. Когда огибающие достигают 0,7 исходного уровня частотного выбора, пороговые устройства срабатывают и сигналы в виде параллельного кода переписываются из блока пороговых устройств 7 в блок триггеров 8. Последний представляет собой параллельную линейку триггеров, количество последних равно числу частотных выборов. Параллельный код переписывается из блока 8 в блок памяти 9, который также состоит из параллельной линейки триггеров. Перезапись сигналов из блока 8 в блок 9 осуществляется один раз в начале процесса резания, то есть на первом интервале времени. На втором интервале времени, то есть на втором обороте шпинделя и последующих, при срабатывании пороговых устройств, проходит сравнение параллельного кода, записанного в промежуточном регистре на текущем интервале времени, и кода, записанного в блоке 9 на первом интервале времени. Сравнение проводится в блоке 10, который представляет собой регистр двух входов элементов, где число элементов равно числу частотных выборов. Результаты сравнения поступают в блок анализа 11, который определяет характер процесса резания и выдает информацию об отклонении процесса резания.

Сигнал с датчика виброакустических сигналов 2 подают на блок выделения огибающей 12. Огибающая виброакустического сигнала поступает на пороговое устройство 13, которое работает аналогично пороговым устройствам блока 7. Послепороговое значение виброакустического сигнала поступает на вход блока анализа 11. В случае прерывания сигнала, поступающего с датчика 2, блок частотных выборов 5 или блок триггеров 8, могут выдать хорошую информацию о состоянии процесса из-за так называемого “​​прозванивания “. На выходе порогового устройства 13 сигнал равен нулю. В таком случае блок анализа 11 не будет учитывать неточный сигнал. Сигнал о состоянии процесса будет учитываться только при нулевом послепороговом значении виброакустического сигнала, что значительно повысит точность контроля.

Блок 14 датчик подач, подает сигнал на блок анализа 11 характеризующее перемещение рабочих органов станка, а именно стола станка, что в свою очередь характеризует состояние обработки, соответственно рабочий или холостой ход. С помощью сигналов полученных из блок 14, блок анализа 11 не будет учитывать сигналы получении при холостом или ускоренном перемещении станка.

1 – станок, 2 – датчик виброакустических сигналов, 3 – датчик оборотов шпинделя, 4 – блок формирования временных интервалов, 5 – блок частотного выбора, 6 – блок амплитудных детекторов, 7 – блок пороговых устройств, 8 – блок триггеров, 9 – блок памяти, 10 – блок сравнения, 11 – блок анализа, 12 – блок выделения огибающей, 13 – пороговое устройство, 14 – блок датчика подачи.

Выводы

Предложенная система контроля состояния режущего инструмента позволит обеспечить на основе оперативной информации из зоны резания работоспособность режущего инструмента в течение расчетного периода стойкости и, тем самым, повысить надежность автоматически выполняемого процесса резания.

В основе принятия решения лежит информация, характеризующая целостность инструмента, его размер износа, оставшийся период стойкости и нагрузки, действующей в процессе обработки.

Данная система позволяет определить износ инструмента и прогнозировать отказ в процессе обработки, и предотвратить поломку. Дает возможность своевременно заменить инструмент, приводит к предсказанию брака, сокращению времени на замену и экономию материала.

Различие в величинах начального и посадочного радиального зазора связана с тем, что при посадке внутреннего кольца на вал механизма и внешнего кольца в опору возникает нагрузка на кольца, изменяющая их диаметр [1].

При работе механизма в силу различных факторов, таких как повышение температуры узла трения, нагрузка со стороны крутящегося вала радиальный зазор также изменяется. Величина радиального зазора, возникающего при установившемся температурном режиме подшипника, называется рабочим радиальным зазором [1].

На сегодняшний день разработано множество различных систем мониторинга и диагностики состояния оборудования, предлагающих различные подходы к представлению измеренной информации, но, тем не менее, имеющие много общего между собой [2,3].  При работе подшипника качения под действием сил трения в подшипнике развивается абразивный износ, виляющий на работу механизма в процессе его эксплуатации, а, следовательно, и на вибрационную картину диагностируемого оборудования [4-6].

Именно значение рабочего радиального зазора является наиболее важным для мониторинга состояния подшипника качения наряду с другими дефектами, характерными для данного типа подшипника. Существует множество различных способов измерения радиального зазора подшипника, как бесконтактные, так и традиционные [7,8]. Рабочий радиальный зазор не поддается измерению с помощью традиционных методов измерения зазора, предполагающих останов оборудования.

В данной работе предлагается измерять рабочий радиальный зазор без остановки механизма, используя датчик вибрации на основе пьезоэлектрического преобразователя. В качестве датчика вибрации использовался датчик VSA001 производства компании ifm electronics.

В качестве объекта для проведения эксперимента по измерению рабочего радиального зазора подшипника качения был выбран двигатель скиповой лебедки доменной печи № 8 Доменного цеха ОАО «ММК». На данном объекте установлена стационарная система мониторинга и вибродиагностики основного оборудования скипового подъемника. Мнемосхема системы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Мнемосхема системы вибромониторинга и диагностики  состояния оборудования скиповой лебедки ДП №8 ДЦ ОАО «ММК»

Система реализована на оборудовании фирмы ifm electronics с использованием датчиков вибрации VSA001 вместе с устройствами для анализа сигналов вибрации (контроллеров) VSE002.

Анализу был подвергнут сигнал с датчика вибрации VD10, установленного на опоре правого электрического двигателя скиповой лебедки (см. рисунок 1). Основным элементом опоры данного двигателя является сферический роликовый двухрядный радиальный самоустанавливающийся подшипник 3532 (рисунок 2).

Рисунок 2. Подшипник 3532

Радиальный зазор подшипника качения представляет собой среднее значение смещений d внутреннего кольца относительно внешнего между двумя диаметрально противоположными положениями (рисунок 3). Серым цветом на рисунке 3 выделена область возможных перемещений внутреннего кольца подшипника относительно внешнего. Для наглядности она показана преувеличенной в размере.

Рисунок 3. Величина радиального зазора

Датчик вибрации VD10 измеряет величину виброускорения механических колебаний вала двигателя, а, значит, и внутреннего кольца подшипника, установленного на валу. Из сказанного можно сделать вывод о том, что о величине радиального зазора можно судить по значению виброперемещения, соответствующему зафиксированному датчиком вибрации виброускорению.

Известна формула пересчета величины виброускорения в значение виброперемещения, предполагающее наличие в сигнале вибрации наличие только одной гармоники [1]. В качестве такой гармоники в данном случае выступает частота вращения вала электродвигателя.

d = |а_max|/(f₀)²,

где а_max – максимальная величина виброускорения, измеряемая в мм/с², f₀ – частота вращения вала, измеряемая в Гц.

Зафиксированные датчиком вибрации максимальные отрицательное и положительное значения виброускорения составили – 21,04 мм/с² и + 23,38 мм/с², соответственно. При расчете зазора, нужно выбрать из них большее. Это означает, что |а_max| = 23,38 мм/с². Учитывая, что вал электродвигателя, на который установлен исследуемый подшипник, вращается с постоянной частотой вращения, равной 8,75 Гц, получим величину зазора, равную 0,3054 мм, или 305,4 мкм.

Для данного типа подшипника рекомендуемое значение радиального зазора лежит в пределах 45 мкм – 350 мкм [9]. Рассчитанная предложенным методом величина рабочего радиального зазора показала, что исследованный подшипник функционирует в нормальном режиме и возможна его дальнейшая эксплуатация без необходимости проводить техническое обслуживание. В целом, можно сделать вывод о возможности измерения рабочего радиального зазора в процессе эксплуатации оборудования с помощью датчиков вибрации.

На сегодняшний день существует множество систем для анализа вибрации механических узлов оборудования [1-6].

В данной работе предлагается использовать для построения орбиты вала сигналы с двух датчиков вибрации, установленных на подшипнике скольжения под углом 90^о друг относительно друга (рисунок 1). Один датчик установлен горизонтально, второй – вертикально.

Рисунок 1. Подшипник скольжения

Возможность использования датчиков вибрации для построения орбиты вала основана на том факте, что при вращении вал совершает колебания, следовательно, перемещение его центральной оси пропорционально этим колебаниям. Поэтому для построения орбиты вала можно использовать сигналы виброперемещения с двух датчиков, установленных под углом 90^о друг к другу в вертикальной плоскости, перпендикулярной центральной оси вала.

Орбита вала в данном случае будет представлять собой круговое движение вектора, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Определение траектории вращения вектора, описывающего орбиту вала

Модуль вектора r_i рассчитывается по выражению:

,

где x_i и y_i – значения виброперемещения, полученные с горизонтально и вертикально установленных датчиков, соответственно.

Текущее значение угла наклона вектора φ_i можно найти по выражению:

.

В случае использования датчиков вибрации на подшипнике скольжения наблюдается некоторое ослабление сигнала, полученного с датчиков, связанное с наличием достаточно толстого смазочного слоя между шейкой вала и чувствительным элементом датчика. Однако такое ослабление не должно существенно повлиять на результаты измерения [6].

Для проверки предлагаемой системы расчета орбиты вала был проведен эксперимент в условия производства листовой стали листопрокатного цеха № 4 (ЛПЦ4) ОАО «ММК».

В качестве датчиков вибрации использовались датчики VSA001 производства компании ifm electronics. Для чтения сигналов с датчиков использовались контроллеры ifm electronics VSE002. Данная система мониторинга и виброконтроля установлена при непосредственном участии авторов на оборудовании чистовой группы клетей прокатного стана горячей прокатки ЛПЦ4 ОАО «ММК». Мнемосхема системы приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Мнемосхема системы виброконтроля основного оборудования ЛПЦ4 ОАО «ММК»

Контроллер VSE002 считывает с датчиков вибрации VSA001 величину виброускорения вала. Полученные значения виброускорений с двух датчиков пересчитываются в величины виброперемещений [1]. После синхронизации во времени результирующих сигналов виброперемещения и их фильтрации вычисляется траектория вращения вектора r_i по вышеприведенным выражениям. В результате этого были получены графики орбиты вала, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Орбита вала

По результатам проделанной работы можно сделать вывод о том, что для построения орбиты вращающегося вала подшипника скольжения возможно использование датчиков вибрации. Датчик вибрации является хорошей альтернативой датчику приближения, обычно применяемого для данной цели. Разработанная система позволяет контролировать орбиту вала с целью диагностики дефектов оборудования.

В ООО «НПП ВартПро» разработан и создан датчик вибрации, который, имея самую низкую на рынке цену в расчете на измерительный канал, обладает возможностями на уровне самых дорогих специализированных комплексов вибрационной диагностики.
Датчик родился не на пустом месте — наша команда длительное (более 20 лет) время занималась разработкой стационарных комплексов виброзащиты и вибромониторинга для крупных промышленных роторных агрегатов (турбин, компрессоров, насосов), работающих в различных отраслях российского ТЭК. За это время мы достаточно хорошо изучили рынок как со стороны спроса, так и предложения. Постепенно росло убеждение, что потенциал рынка существенно превосходит его освоенный объем и на рынке имеются пустующие ниши. Проблема — в отсутствии подходящего продукта. Надеемся, что таким продуктом и является наш iVP3, описание которого считаем нужным предварить краткой характеристикой рынка, без которой понять продукт затруднительно.

2. Про рынок со стороны предложения

Трудно найти промышленное предприятие, на котором бы ничего не слышали про измерение вибрации. Энергетика, добыча, транспорт и переработка энергоносителей, металлургия и металлообработка, химическое производство — везде системы контроля вибрации находят свое применение.

На нижеследующем рисунке приведена упрощенная классификация основных типов применяемых систем в зависимости от четырех критериев:

• Применяется ли система для противоаварийной защиты.
• Является ли система стационарной или переносной
• Осуществляет ли система измерения в непрерывном или периодическом режиме
• Обладает ли система диагностическими возможностями

Если спуститься по дереву системы к конкретному ее листу, записывая номера узлов через точку, – получим сокращенное обозначение того или иного типа. Так, 1.1.1.1 — это «Система виброзащит стационарная непрерывного действия с функциями диагностики». Чем меньше сумма цифр в условном обозначении — тем система дороже (тем выше ее стоимость в расчете на один измерительный канал).

Самыми дорогими являются системы 1.1.1.Х. Ими оснащаются ответственные дорогостоящие агрегаты, отказ которых может привести к тяжелым последствиям. Как видно из диаграммы и следует из самого смысла их применения, такие системы всегда стационарные и непрерывного действия. В подавляющем большинстве случаев — это системы вида 1.1.1.1.

На другом конце ценового спектра находятся системы 2.2.2.2 — это дешевые переносные виброметры. Такие приборы применяются линейным персоналом для измерения общего уровня в процессе контрольных обходов оборудования.

Промежуточное положение с точки зрения цены занимают системы 2.1.2.Х — беспроводные измерительные системы с автономным питанием, и системы 2.1.1.Х — стационарные измерительные системы без функции защит.

3. Про рынок со стороны спроса

Принимая решение в пользу той или иной системы, менеджмент предприятия рассуждает приблизительно следующим образом:

•  Если оборудование ответственное (либо его оснащение предписано нормативными документами в сфере промышленного надзора) — его оснащают системами 1.1.1.X.
• Если оборудование дешевое и выход его из строя не ведет к сколь-нибудь ощутимым финансовым последствиям — его не контролируют вовсе либо осуществляют периодические замеры системами 2.2.2.Х
• В остальных случаях пытаются оценить целесообразность оснащения при помощи критерия оптимальность/применимость, звучащего так: «Если затраты на оснащение меньше, чем выгоды, даваемые им, то следует оснащать». При этом под затратами понимают не только цену покупки системы, но пытаются оценить стоимость всего ее жизненного цикла. Выгода также может быть различна. Так, системы класса 2.1.Х.2 позволяют предотвратить внезапный отказ и связанные с ним издержки, но не позволяют выявить корневую причину возможного отказа и имеют малый временной горизонт, исчисляемый сутками, что не позволяет, к примеру, оптимизировать ремонтную политику.

4. Про рыночные ниши

Разработанный нами продукт предполагается использовать для оснащения агрегатов, которые не нужно защищать по вибрации, но отказ которых может привести к ощутимым проблемам. В качестве примера приведем так называемые агрегаты собственных нужд тепловой электрической станции. Отказ таких агрегатов ведет к ограничению отпускаемой станцией мощности и связанным с этим потерям в виде упущенной выгоды от недовыработанной электроэнергии и штрафов, уплачиваемых системному оператору — регулирующей рынок электроэнергии организации.

Для предотвращения вышеописанных неприятностей у менеджмента есть следующие варианты:

• Выполнять периодические замеры с применением оборудования группы 2.2.2.1. силами квалифицированного персонала, умеющего применять оборудование этой группы и владеющего приемами диагностики. Применение такого подхода практически решает вышеуказанную задачу при условии, что замеры выполняются с требуемой периодичностью. Однако с этим имеется серьезная проблема — уменьшение численности линейного персонала и кадровый голод на этом рынке не позволяют выдержать требуемую периодичность измерений.
• Оснащать оборудование системами 2.1.X.1. Это практически не получило распространения в связи с тем, что цена подобных систем оказывается экономически неоправданной.

В итоге идут либо на периодические замеры системами 2.2.2.2 силами низкоквалифицированного линейного персонала, либо в относительно редких случаях оснащают системами 2.1.Х.2. Эти решения, будучи бюджетными, если и решают задачу, то только отчасти — заблаговременное диагностирование дефекта оказывается невозможным.

На основании вышеизложенного и возникла идея — нужно дать рынку продукт, который по своим ценовым параметрам был бы на уровне категории 2.1.Х.2, а по возможностям — на уровне 2.1.X.1.

5. Про продукт

Центральная идея iVP3— это «one size fits all», где «all» относится как к решаемой задаче, так и к потребителю продукта. Поясним эту идею:

• При помощи iVP3 можно решать практически любую задачу в области вибрационных измерений — от простого мониторинга общего уровня до продвинутых систем предиктивной аналитики. При этом даже в случае простейших систем измерения общего уровня решение будет самым бюджетным из возможных альтернатив. Цена за измерительный канал будет в диапазоне 20-30 тыс. рублей, что находится на уровне самых бюджетных решений, измеряющих общий уровень вибрации
• Системы на базе iVP3 можно строить по принципу «progressive enhancement», последовательно наращивая возможности по мере накопления опыта работы и появления дополнительных «хотелок». При этом расширение возможностей системы не будет требовать дополнительных инвестиций в аппаратное обеспечение — в датчике все необходимое поддержано в базовой комплектации.
• Датчик интересен и конечному пользователю, и интеграторам, строящим комплексные информационно-измерительные системы и заинтересованным в создании подсистем контроля технического состояния в их составе, и дистрибьюторам специализированных измерительных систем.
• Датчик идет с бесплатным набором кроссплатформенных программных продуктов, упрощающих интеграцию в измерительные системы заказчика. Это ModbusProxy сервер, OPC-UA сервер, локальный архив в базах данных MariaDB либо PostreSQL, GraphQL-точка доступа.

И в заключение — несколько слов про аппаратно-программную реализацию датчика. Датчик является «edge computing» изделием и обладает следующими характеристиками:

• Датчик оснащен высокопроизводительным сигнальным процессором BlackFin-518, работающим под управлением многопоточной операционной системы реального времени.
• Измерения выполняются при помощи трехканальной MEMS-микросхемы ADXL-357. Полоса пропускания по уровню — 3дБ — 1 кГц.
• Питание — PoE 802.3af 10/100 Mixed DC & Data (метод A).
• Датчик в реальном времени рассчитывает СКЗ, пиковые значения и размахи виброускорения, виброскорости и виброперемещения, выполняет спектральную обработку с извлечением из спкетра диагностических признаков дефектов оборудования
• Вся измерительная информация доступна по Modbus TCP/IP и/или Modbus UDP. Помимо этого, датчик оснащен встроенным WEB-сервером.
• Электроника заключена в герметичном корпусе IP-67, имеются два варианта исполнения — обычный и взрывозащищенный (вид взрывозащиты — 0ExibdIICT5).

6. Заключение

Надеемся, что рынок по достоинству оценит нашу разработку и она послужит делу повышения безопасности и рентабельности промышленных производств, эксплуатирующих роторное оборудование.