ارزیابی ارتعاش اسپیندل ماشین‌ابزار با نگاهی به سری اسناد ISO/TR 17243

تالیف: احسان فرخ منش

 شماره مقاله/مطلب آموزشی-ترویجی: ۹۵۰۰۰۲

چکیده

در استراتژی قابلیت اطمینان محور، RCM¹ در نگهداری و تعمیرات ماشین‌آلات (یا ماشین‌ابزار)، یکی از راهکارهای پیشنهادی برای تحت کنترل درآوردن خرابی‌ها، اجرای رویکرد نگهداری و تعمیر مبتنی بر وضعیت، CBM² است. در روش مذکور با پایش‌ دوره‌ای پارامترهای نشان‌دهنده وضعیت عملکردی ماشین‌آلات (مانند ارتعاشات، دما و غیره) تلاش می‌شود که خرابی‌های در شرف وقوع پیش‌بینی و اقدامات تعمیراتی انجام شوند. طبیعی است که ارزیابی ارتعاش اسپیندل، به عنوان کلیدی‌ترین جزء هر ماشین‌ابزار، از اهمیت زیادی برخوردار باشد. این ارزیابی، با ارتعاش‌سنجی از محفظه‌ای که یاتاقان‌های غلتشی اسپیندل در آن نصب شده‌اند، انجام می‌شود.

واژه های کلیدی: ارزیابی ارتعاشات، اسپیندل ماشین‌ابزار، یاتاقان، سرعت ارتعاشی، شتاب ارتعاشی، فرکانس ارتعاشی

ارتعاش‌سنجی

ارتعاش، نوسان مکانیکی حول یک نقطه تعادل است که ممکن است متناوب (تکرار شونده) یا غیرمتناوب باشد. تمام اجسامی که جرم و کشسانی دارند می توانند نوسان کنند؛ پس می‌توان نتیجه گرفت که اغلب ماشین‌ها و سازه هایی که در محیط‌های صنعتی با آن‌ها سروکار داریم هم تا اندازه‌ای ارتعاش می کنند. از زمانی که مباحث مربوط به روش‌های نوین تعمیر و نگهداری مدنظر صنعتگران قرار گرفت، اندازه‌گیری و تحلیل ارتعاشات هم به عنوان یکی از ابزارهای بسیار مفید مطرح شده است. در ابتدا از روش‌های سنتی و ابتکاری برای اندازه‌گیری ارتعاشات استفاده می‌شد؛ مانند استفاده از سکه و پیچ‌گوشتی؛ ولی به مرور با پیشرفت علم و تکنولوژی، دستگاه‌های پیشرفته آنالایزر ارتعاشات به خدمت مهندسان درآمده‌اند. برای آنالایزرهای مذکور، حسگرهای ارتعاشی به عنوان اجزایی که ورود و گردآوری  داده‌ها به کمک آن‌ها انجام می‌شوند، عمل می‌کنند. انواع حسگرهای ارتعاشی در ادامه بحث توضیح داده می‌شوند. همانطور که پیش‌تر توضیح داده شد، با توجه به نقش کلیدی اسپیندل‌ در ساختار ماشین‌ابزار، اخیرا سازمان بین‌المللی ایزو  سری اسناد ISO/TR 17243   که به ارزیابی ارتعاشی اسپیندل‌ ماشین‌ابزار اختصاص دارند را تدوین و چاپ کرده است. قسمت اول از این سری اسناد که تدوین آن در سال ۲۰۱۵ میلادی به اتمام رسیده است، به ارزیابی ارتعاشات اسپیندل‌هایی اختصاص دارد که سرعت دوران آن‌ها بین  ۶۰۰ تا ۳۰۰۰۰  دور بر دقیقه است و شفت موتور محرک و شفت روتور اسپیندل با هم یکپارچه هستند (هیچ جدایشی بین دو شفت مذکور وجود ندارد)؛ قسمت دوم، به اسپیندل‌هایی با سرعت دوران مشابه با قسمت اول می‌پردازد با این تفاوت که شفت روتور و شفت اسپیندل یکپارچه نیستند و حرکت دورانی موتور یا از طریق اتصال مستقیم و یا از طریق تسمه به اسپیندل منتقل می‌شود.

در سندهای مذکور، اندازه‌گیری‌ها و تحلیل‌های ارتعاشی تنها برای اسپیندل‌هایی انجام می‌شوند که یاتاقان‌های آن‌ها از نوع غلتشی هستند؛ در این سری اسناد، به شرایط ماشینکاری مطلوب یا غیرمطلوب (از نظر ارتعاشی)، به اثر وضعیت ارتعاشی اسپیندل بر کیفیت قطعه‌ای که ماشینکاری می‌شود، ارزیابی وضعیت هندسی محور دورانی اسپیندل و یا تحلیل نتایج اندازه‌گیری ارتعاشات پرداخته نمی‌شود؛ بلکه هدف، پایش وضیعت اسپیندل ماشین‌ابزار در بازه‌های زمانی کوتاه مدت یا بلند مدت است. همچنین بر اهمیت ملاحظاتی که باید در زمان انجام اندازه‌گیری در نظر داشت، تاکید بسیار شده است. با در نظر داشتن این ملاحظات، بستر مناسبی برای انجام اندازه‌گیری در شرایط مشابه و استاندارد فراهم می‌شود و با قطعیت بیشتری می‌توان نتایج را تحلیل و ارزیابی کرد. از جمله این ملاحظات این است که اندازه‌گیری ارتعاشات باید در حالتی انجام شود که باربرداری صورت نمی‌گیرد و  همچنین مجموعه ماشین‌ابزار و اسپیندل شرایط دمایی پایدار و با ثباتی دارند (هر چه به شرایط دمایی که ماشین‌ابزار در آن کار می‌کند نزدیک‌تر باشد، بهتر است). موقعیت، جهت و سرعت اسپیندل و این که درون اسپیندل ابزار یا قطعه‌کار جا زده شده بوده یا خیر؛ باید مشخص شود. در صورت استفاده از ابزار، باید از میزان و درجه توازن جرمی آن بر اساس استاندارد ISO 1940 اطلاع داشت. برای اسپیندل‌های کارگیر، باید از یکسان بودن موقعیت شعاعی فک‌ها در هر مرتبه اندازه‌گیری اطمینان پیدا کرد. بهتر است ارتعاشات محیطی که منشایی غیر از ماشین ابزار دارند، شناسایی شده و تا حد مقدور میزان آن را کاهش داد.

لازم است برای هر اسپیندلی که ارتعاش‌سنجی دوره‌ای بر روی آن انجام می‌شود، نقاط ارتعاشی و برای هر نقطه ارتعاشی، جهات ارتعاشی استخراج شوند. این که اندازه‌گیری در نقاط و جهات یکسانی انجام شود، از اهمیت زیادی برخوردار است؛ بدین ترتیب می‌توان نتایج اندازه‌گیری‌های دوره‌ای را در یک مقیاس مشخص با یکدیگر مقایسه نمود همچنین پیشنهاد شده برای هر اندازه‌گیری روش نامگذاری خاصی تعریف و مورد توافق قرار گیرد تا در آینده در زمان مرور نتایج بتوان متوجه شد که اندازه‌گیری در چه نقطه و در چه جهتی انجام شده است. توصیه می‌شود جهت‌های تعریف شده به صورت شعاعی، بر محور دورانی اسپیندل عمود و با آن هم‌صفحه باشند (شکل ۱). ارزیابی ارتعاشات در تمام بازه سرعتی اسپیندل می‌تواند انجام شود ولی ممکن است سازنده یک یا چند محدوده‌ خاص را مستثنی کرده باشد چرا که این بازه‌ها با سرعت‌(های) رزونانس اسپیندل همپوشانی دارند و در نتیجه ارتعاش با دامنه بسیار زیاد را موجب می‌شوند. در عین حال، سازنده مجاز نیست محدوده مستثنی از ارتعاش سنجی را طوری تعیین کند که بیش از ده درصد از کل بازه سرعت دوران اسپیندل را اشغال کند.

حسگرهای ارتعاشی

حسگرهای ارتعاشی به سه دسته تقسیم‌بندی می‌شوند: حسگرهای جابه‌جایی‌سنج، سرعت‌سنج و شتاب‌سنج. حسگرهای جابه‌جایی (در شکل ۲) از نوع تماسی نیستند و بیشتر به صورت دائمی نصب می‌شوند و عمده کاربرد آن‌ها برای حالتی است که نسبت وزنی بین محفظه یاتاقان و جسم مرتعش، عدد بالایی باشد. اساس کارکردشان به این صورت است که در حالتی که هیچ حرکت و ارتعاشی وجود نداشته باشد (حالت سکون)، به کمک جریان الکتریکی میدان مغناطیسی در فضای بین نوک این حسگرها و شیئی که قصد اندازه‌گیری ارتعاش آن را داریم، القا می‌شود (شکل ۳). در نتیجه ارتعاش جسم مرتعش، فاصله اولیه آن با نوک حسگر تغییر کرده و در نتیجه مقدار ولتاژ کم و زیاد می‌شود؛ همین تغییرات ولتاژ، مبنای اندازه‌گیری ارتعاش توسط این نوع از حسگر خواهد بود. برای این حسگرها، کالیبراسیون اولیه (تنظیم فاصله نوک حسگر با جسم مرتعش) از اهمیت زیادی برخوردار است و دقت زیادی را می‌طلبد.

حسگرهای سرعت‌سنج از نوع تماسی هستند و به دلیل انتقال ارتعاش به آهن‌ربای تعبیه شده در داخل بدنه حسگر و حرکت کردن آن، میدان مغناطیسی سیم‌پیچ، قطع و جریان الکتریکی ایجاد می‌شود که متناسب با سرعت ارتعاش است (شکل های ۴ و ۵). این حسگرها قابلیت کارکرد در دما‌های بالا را دارند و برای اندازه‌گیری عیوب در فرکانس‌های میانی ( Hz 5 تا kHz 2( مناسب هستند؛ ولی به علت استفاده از قطعات متحرک در ساختار آن‌ها، درصد خرابی بالایی دارند.

حسگرهای شتاب‌سنج (شکل های ۶ و ۷) عمدتا از نوع پیزوالکتریک هستند که در آن‌ها با استفاده خاصیت طبیعی کریستالی به نام پیزوالکتریک که در مقابل تنش حساس هست و در صورتی که به آن تنش وارد شود، شارژ الکتریکی به وجود می‌آورد، ساخته می‌شوند. حساسیت این کریستال نسبت به فشار یا کشش، طبق قوانین فیزیکی به نیرو و در نتیجه به شتاب هم ارتباط پیدا می‌کند. این حسگر قابلیت کارکرد در دماهای بالا را ندارند ولی بازه فرکانسی وسیعی را پوشش می‌دهند (Hz 20 تا kHz 40(.

شیوه نصب حسگر باید به گونه‌ای باشد که حسگر تا حد امکان از صلبیت لازم برخوردار شود و کاربر اطمینان یابد که مقادیر اندازه‌گیری شده، از نحوه نصب متاثر نشده‌اند. در این سند پیشنهاد شده است که برای حالتی که قصد داریم از یک اسپیندل نو و یا اسپیندلی که به تازه‌گی تعمیر شده ارتعاش‌سنجی کنیم، بهتر است حسگر به اسپیندل پیچ شود (شکل ۸) و یا از اتصال شیمیایی؛ مانند چسب و موم (شکل ۹) استفاده کنیم چرا که هر دو روش ناب‎ترین نتایج را به دست می‌دهند. برای آزمون‌های دوره‌ای، آهن‌ربا هم می‌تواند برای نصب مورد استفاده قرار گیرد (شکل ۱۰)، روش نگه داشتن دستی حسگر مورد تایید نیست و توصیه نمی‌شود.

پارامترهای ارتعاشی

سرعت و شتاب ارتعاشی عمده‌ترین پارامترهایی هستند که اندازه‌گیری و پایش می‌شوند. برای سرعت ارتعاشی عبارت LTSC ^۳ و برای شتاب ارتعاشی عبارت STSC ⁴ مورد استفاده قرار می‌گیرند که به دلایل این نامگذاری‌ها در زیر اشاره شده است. سرعت ارتعاشی به صورت معمول در بازه ۱۰ Hz تا ۵۰۰۰ Hz اندازه‌گیری می‌شود؛ به عبارت دیگر برای تشخیص عیوبی که انتظار داریم در بازه مذکور مقدار آن‌ها به اندازه کافی بزرگ باشد که بتوان آن‌ها را اندازه‌گیری کرد، سرعت ارتعاشی پارامتر مطلوب و مناسبی است. به عنوان مثال می‌توان به عیوبی اشاره کرد که در فرکانس دوران و یا ضرایب صحیحی از آن رخ می‌دهند؛ مانند عدم توزان جرمی (شکل۱۱) و یا عدم هم‌محوری (شکل ۱۲).

سرعت ارتعاشی به عنوان پارامتری در نظر گرفته شده است که وضعیت اسپیندل را یک بازه زمانی طولانی مدت نشان می‌دهد. وجود چنین پارامتری لازم است ولی اصلا کافی نیست چرا که عیوبی هم وجود دارند که به محض بروز، در بازه زمانی بسیار محدود می‌توانند اثر نامطلوبی را بر روی تجهیز تحت پایش گذاشته و باعث خرابی آن شوند. عیوبی که چنین اثری را داشته باشند به صورت ذاتی در فرکانس‌های بالا رخ می‌دهند (بالاتر از ۵۰۰۰ Hz) و مهم است پارامتری برای اندازه‌گیری انتخاب شود که در فرکانس‌های بالا مقدار آن به اندازه کافی بزرگ باشد. شتاب ارتعاشی چنین ویژگی‌ای را دارد.

حد و حدود ارتعاشی

اسپیندل‌های ماشین‌ابزار از نظر مشخصات فنی و عملکردی تنوع بسیار زیادی دارند و با وجود این تنوع، حد و حدود ارتعاشی اسپیندل‌ها که مبنای قضاوت در مورد وضعیت کیفی آن‌هاست، متفاوت خواهد بود. قدم اول برای تعریف حدود ارتعاشی، دسته‌بندی آن‌ها بر اساس یک ویژگی فنی یا عملکردی است تا بتوان برای اسپیندل‌هایی که در دسته‌های مختلف جاگرفته‌اند، حدود ارتعاشی متفاوت تعریف کرد. در جداول زیر، نمونه‌هایی از دسته‌بندی‌هایی انجام شده در  سند ISO/TR 17243 را ملاحظه می‌فرمایید که در آن اسپیندل‌ها بر اساس توان نامی، سرعت بیشینه و همچنین نوع یاتاقان به دسته‌های مختلف تقسیم شده‌اند. شکل ۱۳  مثالی تصویری از یک دسته‌بندی انجام شده بر اساس سرعت بیشینه اسپیندل‌ها را نشان می‌دهد.

جدول ۱: دسته‌بندی اسپیندل‌ها بر اساس نوع یاتاقان

جدول ۲: دسته‌بندی اسپیندل‌ها بر اساس سرعت بیشینه آن‌ها

جدول ۳: دسته‌بندی اسپیندل‌ها بر اساس توان نامی آن‌ها

به‌طور معمول پس از دسته‌بندی اسپیندل‌ها، برای اندازه‌گیری‌های ارتعاشی حد و حدودی تعریف می‌شود؛ مثلا در شکل ۱۳، هر طیف رنگی یک وضعیت ارتعاشی خاص را نشان می‌دهد؛ محدوده‌های سبز، زرد، نارنجی و قرمز به ترتیب وضعیت‌های ارتعاشی مطلوب، هشدار، اخطار و توقف را نشان می‌دهند. همچنین برای هر محدوده رنگی، نشان‌های a، b، c، i، ii، …viii، حدود بالا، پایین و دسته‌بندی تلرانسی در داخل هر محدوده را تعیین می‌کنند. حد هشدار (alert)، دامنه ارتعاشی است که در صورت عبور مقادیر اندازه‌گیری شده از آن، باید توجه لازم را به اسپیندل داشت و علت افزایش را ریشه‌یابی کرد. حد هشدار، بین ۱/۴ تا ۲ برابر مقدار ارتعاش اسپیندل نو تعریف می‌شود. حد اخطار (alarm)، دامنه ارتعاشی دیگری است که در صورت عبور مقادیر اندازه‌گیری شده از آن، باید به فکر تهیه اسپیندل جایگزین افتاد. حد اخطار، ۱/۲۵ برابر اندازه حد هشدار تعریف می‌شود. تجربیاتی که از خرابی‌های اسپیندل‌های مشابه به‌دست می‌آید هم می‌تواند مبنای مناسبی برای تعیین حد مذکور باشد. در نهایت، حد توقف (Shutdown) که به معنای مقدار ارتعاشی است که کارکرد اسپیندل در آن با ریسک و خطر زیادی همراه است و توصیه اکید می‌شود که چنین اسپیندلی تعویض یا تعمیر شود. توصیه شده‌است که مقدار حد توقف، از  ۱/۲۵ برابر اندازه حد اخطار بیشتر نباشد.

ارزیابی وضعیت ارتعاشی یاتاقان‌ها

روش‌های ارزیابی وضعیت ارتعاشی یاتاقان‌ها به دو دسته تقسیم شده‌اند؛ روش‌هایی که ماهیت آن‌ها به گونه‌ای است که وابسته به سازنده‌های مختلف دستگاه‌های تحلیل ارتعاشات نیستند و همگی از منطق واحد و مستقلی تبعیت می‌کنند؛ در طرف دیگر روش‌هایی قرار دارند که وابسته به منطقی هستند که سازنده در ساخت تجهیز و تعریف الگوریتم محاسباتی مورد استفاده قرار داده است.

از روش‌های موجود برای دسته اول می‌توان به تحلیل فرکانسی^۵ و تحلیل قله‌ها^۶ اشاره کرد  که اولی بر شناسایی و پایش دامنه فرکانس‌های خرابی اجزای یاتاقان‌ها در نمودار FFT و دومی بر جداسازی و دقیق شدن بر قله‌های تیز در نمودارهای ارتعاشی تمرکز دارند. عیب روش اول در این است که اندازه دامنه عیوب یاتاقان‌ها به‌طور معمول آن‌قدر زیاد نیست که شناسایی آن‌ها کار راحتی باشد؛ ولی این که بعضی از فرکانس عیوب یاتاقان‌ها قابل استخراج هستند (شکل ۱۴)، نکته مثبتی است که استفاده از این روش را توجیه می‌کند؛ در واقع می‌توان به طور خاص در فرکانس‌های قابل استخراج دقیق شد و آن‌ها را پایش کرد هر چند که دامنه آن‌ها کوچک باشد. عیب روش دوم هم در این است که عیوب فرکانس بالای دیگری هم وجود دارند که قله‌های تیز را در نمودار  ارتعاشی ایجاد می‌کنند و تفکیک این‌ها از هم کار راحتی نیست؛ ولی در مواردی که از نبود عیوب فرکانس بالای دیگر، مانند رزونانس، کاویتاسیون و غیره، مطمئن هستیم، می‌توان از این روش استفاده کرد.

از روش‌های مرسوم برای دسته دوم می‌توان Shock pulse و Amplitude demodulated spectral analysis را نام برد که در اولی دستگاه اندازه‌گیری و تحلیل ارتعاش در طی یک فرآیند خاص، ماهیت ضربه‌ای عیوب یاتاقانی را پردازش کرده و  یک عدد و مقدار برای آن ارائه می‌کند که البته این نحوه پردازش برای دستگاه‌های مختلف متفاوت است؛ روش دوم بر پایه و اساس مدولاسیون استوار است که در نتیجه آن با اعمال فیلترهای خاص بر روی طیف ارتعاشی می‌توان شکل موج‌های مربوط به عیوب وابسته به زمان مانند عدم توازن جرمی و عدم هم‌محوری را حذف کرد و سپس طیف‌های باقی‌مانده را که مبتنی بر انرژی هستند را تحلیل و از آن عیوب یاتاقانی را استخراج کرد.

مراجع

[۱] ISO/TR 17243-1: Machine tool spindles — Evaluation of machine tool spindle vibrations by measurements on spindle housing — Part 1: Spindles with rolling element bearings and integral drives operating at speeds between 600 min-1 and 30 000 min-1

[۲] http://www.stiweb.com/appnotes/Comparing-Vibration-Readings-on-Rotating-Machinery.html

[۳] http://www.pruftechnik.com

[۴] http://www.pruftechnik.com/products/condition-monitoring-systems/sensors-and-accessories-for-condition-monitoring/displacement-sensors.html

[۵] http://www.meas-spec.com/product/vibration/8042-01.aspx

[۶] http://article.sapub.org/10.5923.j.eee.20110102.14.html

[۷] http://www.vibrationschool.com/mans/SpecInter/SpecInter06.htm

[۸] http://www.bksv.com/Products/analysis-software/signal-analysis/envelope-analysis/envelope-analysis-7773?tab=descriptions

پی نوشت:

^۱ Reliability Centered Maintenance

^۲ Condition Based Maintenance

^۳ Long term spindle condition

^۴ Short term spindle condition

^۵ Frequency analysis

^۶ Crest factor analysis