docOcena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru
download 
Reklamacja Transkrypt
Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru
Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru 1 LABORATORIUM Temat: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru 1. WPROWADZENIE Stosowanie metod diagnostycznych staje się obecnie coraz bardziej niezbędne zarówno w procesie montaŜu nowoczesnych obrabiarek jak i podczas ich eksploatacji. W szerszym ich stosowaniu upatruje się bowiem dodatkową moŜliwość zwiększania dokładności produkowanych obrabiarek i zmniejszenia pracochłonności ich montaŜu oraz zwiększania ich niezawodności i skrócenia czasu postoju między awariami a tym samym obniŜenia kosztów eksploatacji. Realizację tych celów mogą zapewnić badania diagnostyczne nowowytworzonych obrabiarek bądź ich zespołów prowadzone u producenta oraz diagnostyka prowadzona u uŜytkownika obrabiarek podczas ich eksploatacji. W pierwszym przypadku podstawowym celem jest określenie i ocena poziomu technicznego oraz jakości obrabiarki, a takŜe wykrycie ewentualnych nieprawidłowości montaŜowych lub wykonawczych. Celem natomiast diagnostyki prowadzonej podczas eksploatacji jest sygnalizowanie zaistniałych nieprawidłowości w pracy określonych zespołów bądź elementów, zlokalizowanie miejsca i rozpoznanie przyczyn awarii, a niekiedy takŜe prognozowanie ich występowania. Mimo róŜnych celów stawianych przed tymi dwoma kierunkami w diagnostyce obrabiarek, zakres prac nad ich techniczną realizacją pokrywa się w znacznej części. Odnosi się to zwłaszcza do wyboru typów sygnałów diagnostycznych, metod ich pomiaru i sposobów przetwarzania, a takŜe opracowania niezbędnych zaleŜności funkcyjnych między sygnałami diagnostycznymi a stanem obrabiarki bądź jej zespołów. W nowoczesnych obrabiarkach, zwłaszcza sterowanych numerycznie, powszechnie są stosowane układy diagnostyczne, nadzorujące pracę układów sterowania. W odniesieniu natomiast do mechanicznych układów obrabiarek metody automatycznej diagnostyki wykorzystywane są dotychczas sporadycznie. Wynika to głównie z braku jednoznacznych kryteriów oceny ich stanu, niepełnego poznania zjawisk towarzyszących pracy tych układów, trudności w uzyskaniu jednoznacznych sygnałów diagnostycznych, a takŜe trudności pomiarowych. Występujące obecnie duŜe moŜliwości automatyzacji procesów pomiarowych, przy wykorzystaniu nowych narzędzi pomiarowych oraz komputerów do opracowywania wyników nowoczesnymi metodami matematycznymi, pozwalają na praktyczną realizację automatycznej diagnostyki struktur mechanicznych obrabiarek. Wyniki badań i pomiarów intensywności zjawisk energetycznych, towarzyszących pracy obrabiarki, stosunkowo dawno uznane zostały jako wysoce przydatne dla oceny poprawności działania układów napędowych. W badaniach kontrolnych dokonywane są zwykle: • pomiary strat mocy w czasie pracy bez obciąŜenia obrabiarki. Pomiary te są dość czułym wskaźnikiem syntetycznym warunków pracy, współpracy poszczególnych elementów i zespołów napędowych, Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru 2 • pomiary sprawności układów napędowych. Pomiary te są rzadko realizowane z uwagi na złoŜoność metod pomiaru sprawności, • badania zjawisk cieplnych. W większości przypadków badania te są prowadzone bez oparcia o racjonalne przesłanki metodyczne oraz zwykle w warunkach zmiennych zewnętrznych pól temperatur. Są to na ogół pomiary punktowe czujnikami dotykowymi bez moŜliwości analizy stref cieplnych. 2. ZJAWISKA CIEPLNE W OBRABIARKACH Nagrzewanie się obrabiarki jest wynikiem strat mocy powstających w obrębie obrabiarki. Efektem działania ciepła na konstrukcję są odkształcenia jej zespołów składowych (p.rys.1). Odkształcenia te mogą: • dodatkowo powiększać straty mocy, • powodować znaczne wzajemne przemieszczenia zespołów roboczych, a tym samym zmieniać stereometrię obrabiarki, • powodować nadmierne opory ruchu elementów i pogarszać właściwości ruchowe zespołów, • pogarszać funkcje sterownicze obrabiarki, a w szczególności dokładność ustalania połoŜenia. o C µm µ Rys.1. Nagrzewanie się i odkształcenia zespołów centrum obróbkowego Tymczasem wymagania stawiane obrabiarkom są dzisiaj bardzo duŜe. Ich dokładność niejednokrotnie nie róŜni się od dokładności precyzyjnych maszyn pomiarowych. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowych wrzecion rosną straty w napędach, a procesy cieplne zachodzące w obrabiarkach, złoŜone same w sobie, stają jeszcze trudniejsze do opanowania. Powszechnie przyjętym kryterium, według którego ocenia się stan termiczny obrabiarki są temperatury i przemieszczenia cieplne. Niekiedy posługuje się teŜ pojęciem stabilności cieplnej, która wyraŜa niewraŜliwość obrabiarki, pod względem przemieszczeń cieplnych bądź temperatur, na zmiany warunków pracy obrabiarki. Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru 3 Znacznie rzadziej uŜywane jest pojęcie sztywność cieplna, definiowana jako stosunek przemieszczeń cieplnych do przyrostu temperatury. Zasadnicza trudność w posługiwaniu się tym pojęciem polega na odpowiednim wyborze punktów pomiaru temperatur, reprezentatywnych dla interesujących nas przemieszczeń. 2.1. Źródła ciepła Opracowanie metodyki diagnozowania obrabiarek opartej o pomiary i obserwacje zjawisk cieplnych, towarzyszących pracy obrabiarek, musi bazować na szczegółowej wiedzy o tych zjawiskach oraz wiedzy o związkach między stanem technicznym elementów i zespołów obrabiarki a jej stanem termicznym. Rozmieszczenie źródeł ciepła w obrabiarce oraz ich wydajności wpływają bezpośrednio na jej odkształcenia cieplne. Wysoka dokładność obrabiarki wyraŜająca się niezmiennością jej geometrii, wymagana jest zwłaszcza do przeprowadzania obróbki wykańczającej, czyli w warunkach pracy nieznacznie odbiegających od pracy bez obciąŜenia. Przy takim załoŜeniu moŜna pominąć ciepło powstające w strefie skrawania, ograniczając się do źródeł ciepła rozmieszczonych wewnątrz korpusów obrabiarek jak i znajdujących się poza tymi korpusami, a oddziaływującymi na nie poprzez konwekcję, promieniowanie bądź przewodzenie. Są to najczęściej elementy układów kinematycznych napędów głównych i posuwowych jak: silniki, łoŜyska, przekładnie zębate i pasowe, sprzęgła i hamulce oraz elementy układów hydraulicznych i pneumatycznych jak: siłowniki, pompy, dławiki, rozdzielacze itp. Bilans strat energetycznych (strat mocy) w źródłach ciepła rozmieszczonych częściowo w obrębie wrzeciennika tokarki oraz w reduktorze umieszczonym pod wrzeciennikiem, a takŜe w przekładni pasowej i silniku znajdującymi się poza tymi korpusami pokazuje rys.2. Widoczny tu jest bardzo duŜy udział łoŜysk wrzeciona w sumarycznych stratach mocy. Udział ten zaleŜy od złoŜoności struktury kinematycznej napędu i na ogół jest większy w nowoczesnych napędach bezstopniowych o prostej konstrukcji kinematycznej. N zn =11kW, nw r =1800 obr/min Ne=3274W 100% Silnik 1761W , 53,8% 623W , 19,1% Reduktor 179W , 6,5% , łoŜyska toczne 360W , 11% , sprzęgło+ hamulec+pompka 175W , 5,3% , przekładnie zębate Przekładnia pasowa 176W , 5,3% , 1557W , 47,6% łoŜyska Wrzeciennik 204W , 6,2% , łoŜyska+ przekładnia zębata wrzecionowe Rys.2. Bilans strat energetycznych w zespołach i mechanizmach tokarki Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru 4 3. TEORIA PODCZERWIENI Postępy w technice elektronicznej i detekcyjnej doprowadziły do powstania róŜnorodnych termometrów na podczerwień (IR) do zastosowań przemysłowych i naukowych. Zrozumienie podstawowych róŜnić pomiędzy nimi jest waŜne dla wyboru odpowiedniego urządzenia do określonego zastosowania. Na rys. 3. pokazano przykład zastosowania pirometru Raynger MX4 firmy Raytek do oceny nagrzewania się wirującego wrzeciona centrum frezarskiego. wrzeciono pirometr stół komputer Rys.2. Rejestracja temperatury wirującego wrzeciona obrabiarki z Rys.3. uŜyciem pirometru Energia jest promieniowana przez wszystkie obiekty o temperaturze większej niŜ zero absolutne. Energia ta rośnie w miarę jak obiekt staje się cieplejszy, co pozwala na pomiar temperatury poprzez pomiar promieniowanej energii, szczególnie promieniowania w części widma elektromagnetycznego określanego jako podczerwień. Promieniowanie podczerwone jest częścią widma elektromagnetycznego, które obejmuje fale radiowe, mikrofale, światło widzialne, nadfiolet, promieniowanie gamma i promieniowanie rentgenowskie. Te róŜne postacie energii są podzielone na kategorie w zaleŜności od częstotliwości lub długości fal. NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe światło widzialne rozciąga się od 0,4 do 0,7 mikrometra, przy promieniowaniu nadfioletowym (UV) o falach krótszych niŜ 0,4 mikrometra i promieniowaniu podczerwonym o falach dłuŜszych niŜ 0,7 mikrometra, rozciągającym się do kilkuset mikrometrów. W praktyce, do pomiarów temperatur metodą IR wykorzystuje się zakres 0,5 do 20 mikrometrów. Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru 5 Zgodnie z prawem Planka, intensywność promieniowanej energii jest funkcją długości fali. λmax = 2,89 x 103/T gdzie: λmax = długość fali o największej energii w mikrometrach, T = temperatura w stopniach Kelvina. W miarę powiększania się temperatury długość fali związana z energią szczytową (najwyŜszym punktem krzywej) przesuwa się ku krótszym długościom fal. Na przykład, długość fali o energii szczytowej emitowanej przez obiekt w 2617 stopniach Celsjusza (2890 stopni Kelvina) wynosi: λmax = 2,89 x 103/2890K = 1,0 µm. EMISYJNOŚĆ Emisyjność (współczynnik emisji (E)) jest definiowana jako stosunek energii wypromieniowanej przez obiekt w określonej temperaturze do energii wyemitowanej przez idealne źródło promieniowania, albo ciało czarne, w tej samej temperaturze. Emisyjność ciała czarnego wynosi 1,0. Wszystkie wartości emisyjności zawierają się w granicach 0,0 do 1,0. Związane z emisyjnością są: współczynnik odbicia (R) - miara zdolności obiektu do odbijania energii w zakresie podczerwieni, oraz współczynnik przenikania (T) - miara zdolności obiektu do przepuszczania energii w zakresie podczerwieni. PoniewaŜ całe promieniowanie musi być albo przepuszczone (T), albo odbite (R), albo zaabsorbowane (A) to: A + R + T = 1,0 JeŜeli dany obiekt jest w stanie równowagi cieplnej, nie staje się on ani cieplejszy ani zimniejszy. Ilość energii, jaką on emituje musi być wtedy równa ilości energii jaką absorbuje, tak więc A (absorpcja) = E (emisyjność). Z podstawienia otrzymujemy: E + R + T = 1,0 JeŜeli jakiekolwiek dwie z tych wartości są znane, trzecia jest łatwa do określenia. PRZENIKANIE W niektórych zastosowaniach, szczególnie w wypadku szkła i cienkich tworzyw sztucznych, przepuszczalność staje się bardzo waŜnym czynnikiem. JeŜeli potrzebne jest zmierzenie temperatury tych substancji przy uŜyciu metody IR, musi być wybrana długość fali, przy której materiał jest nieprzezroczysty lub prawie nieprzezroczysty. Często poŜądany jest pomiar temperatury pod powierzchnią jakiegoś obiektu. Jest to moŜliwe, kiedy materiał jest częściowo przezroczysty na długości fali pomiaru. Dla dokonania pomiarów temperatury obiektów poprzez okienko szklane lub kwarcowe, muszą być wykorzystane fale stosunkowo krótkie, w celu skorzystania ze zdolności takich okienek do przepuszczania duŜego procentu energii w zakresie podczerwieni o tych długościach fal. ABSORPCJA ATMOSFERYCZNA Jednym z pierwszych warunków branych pod uwagę przy wyborze zakresu widmowego (zakresu długości fal, w którym przyrząd jest czuły na promieniowanie podczerwone) jest absorpcja atmosferyczna. Pewne składniki atmosfery, takie jak para wodna, CO2 i inne materiały pochłaniają promieniowanie podczerwone o określonych długościach fal, zwiększając ilość energii absorbowanej wraz z odległością pomiędzy mierzonym obiektem a przyrządem pomiarowym. Dlatego teŜ, jeŜeli te czynniki Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru 6 absorbujące zostaną zignorowane, przyrząd moŜe poprawnie odczytywać temperaturę, kiedy będzie znajdował się blisko obiektu, lecz wskaŜe o kilka stopni mniej z większej odległości, poniewaŜ wyświetlana temperatura będzie stanowić wartość średnią temperatury obiektu i temperatury atmosfery. Na odczytywaną wielkość mogą wpływać zmiany wilgotności lub obecność pary albo określonych innych gazów. Na szczęście, istnieją okna w widmie promieniowania podczerwonego, które pozwalają na pomijanie tych absorpcji. OPTYKA Wielkość celu i jego odległość mają istotne znaczenie dla dokładności większości termometrów IR. KaŜdy przyrząd IR posiada pole widzenia (kąt patrzenia), dla którego będzie on uśredniał wszystkie widziane temperatury. PoniewaŜ większość termometrów IR posiada optykę o stałej ogniskowej, minimalna plamka pomiarowa wypada na wyspecyfikowanej odległości ogniskowej między 50 a 150 cm. Niektóre przyrządy o duŜym zasięgu do kontroli izolatorów i transformatorów w węzłach energetycznych posiadają ogniskową bardzo duŜą. Alternatywnie, wykorzystywane są światłowodowe układy optyczne w zastosowaniach specjalnych, kiedy nie ma wystarczająco duŜo miejsca na zamontowanie głowicy czujnikowej, albo kiedy silne zakłócenia o częstotliwościach radiowych mogą spowodować błędne odczyty EMISYJNOŚĆ Idealna powierzchnia do pomiarów temperatury metodą IR powinna mieć emisyjność 1,0. Taki obiekt nazywany jest ciałem czarnym lub ciałem idealnie promieniującym / absorbującym. W wypadku takich obiektów R = T = 0. Termin ;ciało czarne; jest nieco mylący, poniewaŜ kolor, jako pojęcie związane ze znacznie krótszymi falami zakresu widzialnego, w zakresie podczerwieni nie ma sensu. JednakŜe w praktyce, większość ciał jest albo ciałami szarymi (które mają emisyjność mniejszą od 1,0, lecz taką samą na wszystkich długościach fal), albo ciałami nie szarymi (które mają emisyjności zmieniające się w zaleŜności od długości fal oraz/albo temperatury). Ten ostatni rodzaj obiektu moŜe powodować powaŜne problemy w dziedzinie dokładności pomiarów temperatur, poniewaŜ większość termometrów IR matematycznie przekształca zmierzoną energię podczerwieni na temperaturę. Jako Ŝe obiekt o emisyjności 0,7 emituje tylko 70% dostępnej energii, temperatura wskazywana będzie niŜsza niŜ temperatura rzeczywista. Producenci termometrów IR zazwyczaj rozwiązują ten problem instalując kompensator emisyjności, kalibrowany regulator wzmocnienia, który zwiększa wzmocnienie sygnału z detektora podczerwieni tak aby skompensować stratę energii spowodowaną przez emisyjność mniejszą od jedności. Ta sama regulacja moŜe być wykorzystana do skorygowania strat przy przechodzeniu promieniowania podczerwonego przez okienka, dym, pył lub opary. Na przykład, ustawienie kompensatora na 0,5 dla obiektu o takiej emisyjności spowoduje zwiększenie wzmocnienie o współczynnik równy 2. Jeśli okienko wziernikowe jest wykorzystywane do celowania termometru na obiekt znajdujący się w komorze próŜniowej, a współczynnik przenoszenia energii przez to okienko wynosi 40% (T = 0,4), błędy nakładają się na siebie, tak Ŝe ustawienie netto kompensatora powinno wynieść 0,5 x 0,4 = 0,2. Wynikłe z tego wzmocnienie równe 5 skompensuje wszystkie straty energii. Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru 7 EMISYJNOŚĆ A DŁUGOĆĆ FALI W wypadku wielu materiałów, szczególnie organicznych, emisyjność nie zmienia się znacznie wraz z długością fal. Inne materiały, takie jak szkło i cienkie folie z tworzyw sztucznych, wykazują znaczne straty przenoszenia energii podczerwieni na niektórych długościach fal, szczególnie w zakresie fal krótszych. Metale, prawie we wszystkich wypadkach, wykazują się większym współczynnikiem odbicia na dłuŜszych falach, stąd ich emisyjność poprawia się wraz ze skracaniem się długości fal. Problemy powstają w wypadku metali o niskich temperaturach, gdy najkrótsza uŜyteczna długość fali zaleŜy od punktu, w którym ilość istniejącej energii jest niewystarczająca do wytworzenia odpowiedniego sygnału wyjściowego z detektora. W takich wypadkach konieczny jest kompromis. Emisyjność większości substancji organicznych (drewno, materiały tekstylne, tworzywa sztuczne itp.) wynosi w przybliŜeniu 0,95. Metale o gładkiej, wypolerowanej powierzchni mają emisyjności duŜo niŜsze od 1,0. Emisyjność materiału moŜe być określona w jeden z następujących sposobów: Nagrzać w piecu próbkę materiału do znanej temperatury, określonej za pomocą precyzyjnego czujnika umieszczonego w tym piecu, oraz zmierzyć temperaturę obiektu termometrem IR. UŜyć regulacji kompensatora emisyjności do wymuszenia wskazania poprawnej temperatury. Stosować tę wartość emisyjności w późniejszych pomiarach tego materiału. W przypadku stosunkowo niskich temperatur (do około 2500C), kawałek taśmy maskującej moŜe być umieszczony na powierzchni obiektu i mierzona jest temperatura tej taśmy maskującej za pomocą termometru IR z nastawą emisyjności równą 0,95. Następnie, naleŜy zmierzyć temperaturę obiektu i tak wyregulować kompensator emisyjności, aby wyświetlacz pokazał poprawną temperaturę. Stosować tę wartość emisyjności w późniejszych pomiarach tego materiału. W wypadku bardzo wysokich temperatur, moŜna w obiekcie wywiercić otwór, o głębokości co najmniej 6 razy większej od średnicy. Taki otwór zachowuje się jak ciało czarne o emisyjności równej w przybliŜeniu 1,0, a temperatura odczytana przy wycelowaniu termometru IR do wnętrza tego otworu będzie poprawną temperaturą obiektu. Tak jak w przypadku 2, naleŜy uŜyć kompensatora emisyjności do określenia prawidłowej nastawy przy późniejszych pomiarach temperatury tego obiektu. Kiedy część powierzchni obiektu moŜe być pomalowana np. matową, czarną farbą będzie miała emisyjność równą około 1,0. Mogą być równieŜ zastosowane inne powłoki niemetaliczne, takie jak smar do form, napylenie proszku, dezodorantu i innych. NaleŜy zmierzyć znaną temperaturę jak poprzednio i wykorzystać regulator emisyjności do określenia prawidłowej wartości emisyjności. Dla większości materiałów dostępne są znormalizowane wartości emisyjności. Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru 8 STANOWISKO BADAWCZE Stanowisko badawcze stanowi obrabiarka oraz pirometr Raynger MX4, współpracujący z komputerem PC np. typu laptop (p.rys. 4). Pirometr (p.rys.5) wyposaŜony jest w układ mikroprocesorowy pozwalający zarówno na wykonywanie dyskretnych pomiarów (max 100 pomiarów) i przechowywanie ich w swojej pamięci, jak i na ciągłą rejestrację temperatury obserwowanej powierzchni (p.rys.6). Dodatkowo do pirometru moŜe być dołączona dotykowa sonda temperatury, pozwalająca na dostrajanie wskazań lub na dokonywanie nią pomiarów metodą dotykową. wrzeciono pirometr wrzeciennik komputer łoŜe tokarki Rys.4. . Stanowisko badawcze do zdalnych pomiarów i rejestracji temperatury zespołów obrabiarki Rys.5. Pirometr zamocowany w statywie z przewodami zasilającymi i komunikacyjnymi Instrukcja do laboratorium: Ocena stanu technicznego obrabiarki z pomocą pirometru 9 Tw To Rys.6. Temperatura wirującego wrzeciona Tw mierzona pirometrem i temperatura otoczenia To podczas przerywanego cyklu pracy obrabiarki PRZEBIEG ĆWICZENIA 1. Zestawić układ do zdalnych pomiarów temperatury. 2. Dokonać wyboru miejsc pomiaru temperatury na powierzchniach korpusów tokarki. 3. Dobrać dla poszczególnych miejsc właściwe współczynniki emisyjności i zapisać je w pamięci komputera. 4. Dokonać eksportu danych o punktach pomiarowych do układu mikroprocesorowego pirometru. 5. Przygotować powierzchnię końcówki wrzeciona do pomiarów pirometrem (zaczernić błyszczącą powierzchnię) 6. Uruchomić obrabiarkę i dokonać rejestracji temperatury wirującego wrzeciona w początkowej fazie nagrzewania. 7. Dokonać pomiarów w wybranych wcześniej punktach obrabiarki 8. Dokonać eksportu wyników pomiarów do pamięci komputera i ocenić stopień nagrzewania się poszczególnych jej zespołów. Przygotował: Wojciech Kwaśny
