CC BY
123
УДК 621.9.047.002.2
ПОВЫШЕНИЕ ВИБРОУСТОЙЧИВОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ КОМПЛЕКСНОЙ
ОБРАБОТКЕ
Е.А. Несмеянов, Ю.В. Трофимов
В статье описаны технологические приемы повышения виброустойчивости оборудования. Особое внимание уделено комплексной обработке деталей с применением активных демпфирующих систем
Ключевые слова: виброустойчивость оборудования, активные демпферы, комплексная обработка
Повышение виброустойчивости
металлообрабатывающего оборудования становится особенно актуальным для процессов комплексной обработки деталей, отличающейся предельными показателями производительности по критерию удаляемого объема материала заготовки. Одним из способов значительного повышения
производительности металлорежущих станков является увеличение количества обрабатывающих шпинделей, позволяющих сэкономить до 50% машинного времени при обработке идентичных деталей. Однако, взаимовлияние шпинделей в процессе резания, в большинстве случаев, приводит к значительному снижению производительности. Негативное взаимодействие многошпиндельной системы порождает возникновение автоколебаний, приводящих к ухудшению качества обрабатываемой поверхности, снижению стойкости режущего инструмента и шпиндельных узлов, разрушению нежестких заготовок, например из алюминиевых сплавов с внутренними полостями или отверстиями. Повышение виброустойчивости оборудования может быть достигнуто посредством использования демпфирующих устройств.
Демпферы и динамические гасители колебаний являются антивибрационными устройствами (АВУ) параллельного действия, поскольку не
воспринимают рабочих или весовых нагрузок. Эти АВУ применяют в тех случаях, когда недопустимо уменьшение жесткости системы; их можно классифицировать следующим образом:
а) устройства или мероприятия, увеличивающие демпфирование основной системы: демпферы
колебаний, присоединяемые к основной системе; демпфирующие покрытия вибрирующих частей машины (применяются в основном для демпфирования высокочастотных звуковых вибраций); выполнение элементов с использованием специальных мер, повышающих их демпфирование (изготовление корпусов режущих инструментов, оправок, державок из материалов с повышенным внутренним трением; изготовление литых деталей, в частности, станин с засыпкой песком внутренних полостей, с не извлекаемыми стержнями и т. п.);
Несмеянов Евгений Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 89155482668
Трофимов Юрий Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел. 89036546968
б) устройства динамического действия,
присоединяемые к основной системе и воздействующие на нее с силами, близкими по величине и противоположными по направлению возмущающим силам: динамические гасители
колебаний (ДГК) без демпфирования; гасители ударного действия; маятниковые и эксцентриковые гасители;
в) устройства комбинированного действия: ДГК с демпфированием, состоящие из параллельно работающих демпферов и динамического гасителя; ДГК с демпфированием с использованием упруго-демпфирующих материалов;
г) устройства активного действия, т. е.
имеющие системы автоматического регулирования: ДГК с автоматическим изменением параметров (частоты и демпфирования) в зависимости от изменения характеристик основной системы или возмущающего воздействия
(самооптимизирующиеся); активные
демпфирующие системы (демпферы). [8].
Демпферы устанавливают между поверхностью вибрирующего объекта, амплитуду колебаний которого требуется уменьшить, и поверхностью, не принимающей участия в колебаниях. В некоторых случаях эта поверхность неподвижна, например, связана с корпусными деталями станка. В других случаях этой поверхностью является тяжелая инерционная масса, которая не имеет ни жесткой, ни упругой связи с колеблющимся объектом. Демпферы различают по характеру используемых демпфирующих сил — сухое трение, вязкое трение, электромагнитное демпфирование и т. д. В станках наибольшее применение имеют демпферы с сухим и вязким трением.
Повышение производительности
металлообрабатывающего оборудования
предъявляет все более разнообразные требования к системам их виброустойчивости. Вибрационная защита с помощью пассивных систем оказывается малоэффективной при возбуждении в области низких частот, а также при действии вибрации с широким спектром. В этих случаях все большее применение находят управляемые системы виброизоляции, получившие название активных. Активные и пассивные способы не противопоставляются друг другу: каждый из них имеет свою рациональную область применения. В связи с этим может иметь место их комбинирование.
Однако активные способы обладают качественно новыми возможностями по сравнению с пассивными. Поэтому развитие активных способов на современном уровне является актуальным и разработка на их основе новых эффективных методов снижения колебаний представляет большой интерес для науки и машиностроения.
Управление в активных системах сводится к компенсации дополнительным источником энергии внешних вынуждающих сил, вызывающих вибрацию защищаемого объекта, или
относительных смещений объекта [9].
Принципиальная схема активной
демпфирующей системы показана на рис. 1. Здесь объектом управления является защищаемая система; в ряде случаев в объект управления могут включаться также пассивные демпфирующие устройства. Входными переменными регулятора являются параметры, характеризующие
вибрационное поле (абсолютные и относительные перемещения, скорости и ускорения отдельных точек, угловые перемещения, усилия или
напряжения, возникающие в элементах конструкции и т. п.), или кинематические и силовые воздействия. В первом случае активная система является замкнутой системой с управлением по отклонениям, во втором — системой с управлением по возмущениям. Входные переменные измеряются и преобразуются в удобную для передачи форму чувствительными элементами (датчиками),
образующими измерительное устройство
регулятора; полученная при этом информация преобразуется и анализируется в корректирующем устройстве, далее сигналы усиливаются усилителем и передаются в исполнительное устройство, которое формирует управления. В системе могут существовать некоторые дополнительные связи,
В зависимости от принципа применяемого регулирования, как уже было упомянуто выше, активные системы обычно разделяются на системы с управлением по возмущению и по отклонению (со стабилизацией). В первом случае управление осуществляется на основе сигнала, получаемого при измерении возмущающих воздействий (как силовых, так и кинематических). Основной задачей здесь является реализация передаточной функции системы, обеспечивающей инвариантность
(независимость от возмущений) выбранных координат объекта. При этом регулирование выполняется по разомкнутому циклу.
Второй принцип — управление по отклонению
— применяется в подавляющем большинстве
используемых активных демпфирующих систем. У них есть определенные преимущества по сравнению с системами, работающими по возмущению: не
требуется полной информации о возмущениях и о характеристиках изолируемого объекта, так как небольшие изменения последних мало
сказываются на эффективности гашения. В качестве входных сигналов управления используются различные параметры движения объекта, например перемещение, скорость и ускорение. Имеются предложения по использованию комбинированных систем с управлением по возмущению и отклонению одновременно [3].
Сложны не столько сами устройства активного демпфирования, сколько математический аппарат для их управления: специальная программа должна в реальном масштабе времени оценивать поведение станка и в зависимости от этого приводить в действие демпферы.
Важный класс активных систем повышения виброустойчивости составляют адаптивные системы, в которых параметры системы могут меняться, подстраиваясь под изменения, например режима работы машины, с тем, чтобы обеспечить минимум передачи вибрации [9].
В ряде работ [10, 11, 12] отмечаются
недостатки управляемых систем, в частности говорится, что во многих системах управления активные органы сложны, нуждаются в источниках энергии, имеют ограниченный диапазон частот и нуждаются в дорогом сложном оборудовании. В качестве альтернативы предлагаются полуактивные методы гашения, требующие сравнительно простой, маломощный и дешевый, активный орган. Отмечено, что наиболее перспективны полуактивные демпферы с использованием, гидравлических ударных поглотителей. В качестве примеров применено использование таких устройств в составе подвесок колес или кузовов автомобилей. Однако, использование активных элементов расширяет возможности динамического демпфирования, поскольку позволяет производить непрерывную поддержку параметров
динамического гасителя в функции действующих возмущений и осуществлять гашение в условиях меняющихся вибрационных нагрузок[2].
Решение задачи активного демпфирования оказывается весьма сложным, когда в реальных конструкциях наблюдаются различные моды и типы колебаний (изгибные, продольные, сдвиговые и др.). В этом случае речь идет об активных методах компенсации вибрационных полей. Основной принцип активных методов компенсации колебаний
— введение в систему колебаний того же типа, той же амплитуды, но противоположной фазы,
показанные
[6].
на
рис.1
Измерительм. устройство Корректир. устройство
Исполнительн.—
| Пар^етры вибрационного поля |
_м
воздействия
Кинематические
воздействия
Объект
управления
Воздействия
на основание
Основание
Рис.1. Принципиальная схема активной демпфирующей системы
отличающейся на 180° от фазы существующих первичных колебаний.
В таких системах используют дополнительный источник вибрации, получающий возбуждение от виброприемника, размещенного в определенной точке вибрационного поля. Информация, получаемая от виброприемника, обрабатывается с учетом особенностей передачи вибрации, расстояния между местом приема и переизлучения, моды колебаний, которую необходимо ослабить, а также свойств виброприемника и дополнительного источника.
Системы активной виброизоляции
классифицируют в зависимости от принципа, на котором работает исполнительный орган -устройство компенсации вибраций. Подробная классификация представлена на рис. 2.
Рис. 2. Классификация типов устройств компенсации вибраций
Выбор типа системы определяется предъявляемыми к ней техническими требованиями. Так, при необходимости обеспечения высокой статической жесткости целесообразно использовать гидравлическую систему. Пневматические системы, особенно пневмоструйные, позволяют получать малые величины статической жесткости. Электромагнитные системы обладают малой инерционностью и позволяют в широких пределах варьировать амплитудно-частотные характеристики [2].
Наиболее часто в активных системах гашение и управление колебаниями осуществляется с помощью электрогидравлических исполнительных механизмов и при этом такие системы включают в себя подсистему измерения параметров колебаний и идентификацию возмущающих воздействий при неполной информации и подсистему управления обеспечивающую оптимальный закон управления. В этих системах слабым звеном является подсистема электрогидравлического управления, большая инерционность действия которых не обеспечивает гашение высокочастотных и быстрых динамических внешних воздействий. Этот недостаток активных систем гашения колебаний может быть исключён применением подсистем управления, основанных на новых подходах, например на нейро-сетевых алгоритмах управления, сочетаемых с новыми исполнительными механизмами — пьезоэлектрическими актуаторами. Пъезоактуатор — это пьезомеханическое устройство, предназначенное
для приведения в действие механизмов, систем управления или управления ими на основе пьезоэлектрического эффекта. Такое устройство преобразовывает электрическое напряжение в механическое перемещение или силу в широком диапазоне частот вплоть до резонансной частоты механической системы или конструкции, на которой устанавливаются пьезоактуаторы [1]. Двигатели на основе пьезоэлементов, так как они по своим показателям быстродействия не имеют себе равных среди электромеханических преобразователей энергии [3].
Внешние случайные воздействия на конструкцию, например механические колебания, воспринимаются сенсорами, усиленный выходной сигнал с которых по цепи обратной связи передается на соответствующие актуаторы, демпфирующие эти стохастические колебания. Такие системы в последние годы начали применяться для гашения опасных колебаний летательных аппаратов.
Пьезоэлектрические актуаторы, как приводы точных микроперемещений, находят все большее применение в различных областях техники. Обеспечивая перемещение от единиц до 200-300 мкм с точностью 0,01-0,005 нм, они способны развивать усилия до 50 кН.
Существуют устройства на основе пьезоэлементов, у которых диапазон рабочих частот которых доходит до 2 ГГц. Пьезоэлементы обладают очень высоким коэффициентом полезного действия, превышающим у отдельных видов 90% [5].
Удельные усилия, т.е. максимально возможные развиваемые усилия, отнесенные к площади активной поверхности двигателя, для пьезокерамики превышают аналогичные характеристики для традиционных электродвигателей постоянного тока и шаговых двигателей общепромышленного назначения в 200 - 400 раз. По уровню надежности изделия, изготавливаемые из пьезокерамики, находятся на уровне электронных схем [6].
Актюаторы подразделяются на три основные группы: осевые (мода d33), поперечные (мода d31) и гибкие (мода d31). Нас интересуют только первые два типа. Осевые и поперечные актуаторы имеют еще общее название — многослойные пакетные, так как набираются из нескольких пьезоэлементов (дисков, стержней, пластин или брусков) в пакет. Они могут развивать значительное усилие (блокирующую силу) до 50 кН при управляющем напряжении 1 кВ, но при очень малых отклонениях рабочей части (от единиц нанометров до сотен микрон) [4].
Дискретные пьезоэлектрические пластины, действующие как сенсоры и силовые актуаторы широко используются в целях управления вибрациями конструкций. Принимая во внимание технические характеристики, многослойные пакетные актуаторы, по нашему мнению, наиболее удачно смогут взять на себя роль исполнительных устройств в активных демпфирующих системах.
Пьезоактуаторы изготавливаются путем сборки пьезокерамических дисков и колеи с
металлизированными поверхностями в пакет, в котором для внешних соединений используются металлические межсекционные электроды. Жесткая конструкция формируется либо с помощью высококачественных клеевых материалов, либо путем пайки твердым припоем. Отдельные пьезоэлементы соединены между собой параллельно электрически, что позволяет создать устройство, обладающее максимальной деформацией. Толщина диска и кольца 0,25-0,5 мм, количество слоев 7-40 шт. Материал электродов — серебро и серебрянопалладиевый сплав — наносится методом трафаретной печати на керамическую поверхность (толщина слоя 6-12 мкм).
Для повышения механической прочности, стойкости к климатическим воздействиям и температурным перегрузкам пьезокерамические
изделия помещаются в корпус из меди или ее сплавов, обеспечивающий лучший теплосъем. При помещении пьезокерамического актюатора в корпус с целью повышения жесткости конструкции и, соответственно, повышения эксплуатационных
параметров и надежности, с помощью специальных устройств (пружин или гибких элементов) осуществляется предварительное механическое
нагружение в осевом направлении (предварительное усилие) — усилие сжатия от 50 до 1500 Н. Предварительное нагружение позволяет работать при подаче положительного и отрицательного напряжения, исключает наклон концевых поверхностей актюатора и обеспечивает их параллельность при установке в изделиях [7].
Широкое применение метода активного демпфирования для повышения виброустойчивости оборудования, в ряде случаев сдерживается высокой стоимостью и сложностью необходимой аппаратуры. В процессах комплексной обработки этот негативный фактор в достаточной мере компенсируется значительным увеличением
производительности, особенно, на дискретных частотах, что определят целесообразность
применения активных демпфирующих устройств по всем технико-экономическим показателям.
Литература
1.Акопьян В.А. Новая методика демпфирования колебаний ферменных конструкций /В.А. Акопьян // Контроль. Диагностика. - 2010. - №2. - С. 49-55.
2. Вибрации в технике: Справочник: в 6 т. / Под ред. К.В. Фролова. - М.: Машиностроение, 1981 - Т. 6. Защита от вибрации и ударов. - 456 с.
3. Елисеев С. В. Управление колебаниями роботов/ С. В. Елисеев, Кузнецов Н. К., Лукьянов А. В.— Новосибирск: Наука. 1990. - 320 с.
4.Комкин А. И. Вибрация. Воздействие,
нормирование, защита (школа БЖД) / А. И. Комкин // Приложение к журналу Безопасность Жизнедеятельности.
- 2004. - №5. - С. 1-51
5. Ковыршин С.В. Разработка математических моделей активного демпфирования и оценка долговечности
деталей турбомашин: дис...... канд. тех. наук: 01.02.06 /
Ковыршин Сергей Владимирович. - Иркутск: РГБ, 2007. -234 с.
6.Коловский М. З. Автоматическое управление виброзащитными системами / М. З. Коловский. - М: «Наука», 1976 - 320 с.
7. Сафронов А. Пьезокерамические и моноблочные актюаторы. / А. Сафронов // Компоненты и технологии. -2002. - №6. - С. 17-20.
8. Трофимов Ю.В. Применение двухшпиндельных обрабатывающих центров//Бурение и нефть.-2008.-№5.-С.46-48.
9.Фурман Ф.А. Активные гидравлические виброзащитные системы / Ф.А. Фурман // Вестник машиностроения. - 1972. - №5. - С. 31-34
10. Venhovents P., Knaap A., Vander. Pacejka H.B. Seme-aktive attitude and vibration control. // Vehicle Syst. Dyn. -1993. - Jfe5-6. -p. 359-381.
11. Hiramoto Kazihiko. Simultaneous optimization for passive and active systems in consideration of a performance of an open loop system // Soc. Mech. Eng. -1995. -584. -c.1450-1485.
12. Karnopp D. Design principles for vibration control systems using semiac tive dampers. // J. Dyn. Syst. Meas. and Control. - 1990. - Vol. 112. JST«3. -p. 448-453.
Воронежский государственный технический университет
INCREASE VIBRATION STABILITY OF THE EQUIPMENT AT COMPLEX PROCESSING
E.A. Nesmeyanov, Yu.V. Trofimov
In article increase processing methods vibration stability the equipment are described. The special attention is given complex processing of details with application active damping systems
Key words: vibration stability the equipment, active damping system, complex processing
