精密軋輥磨床故障振動分析及消除

譚興強(qiáng)，陳新德

(攀枝花學(xué)院機(jī)械工程系，四川攀枝花 617000）

精密軋輥磨床故障振動分析及消除

譚興強(qiáng)，陳新德

(攀枝花學(xué)院機(jī)械工程系，四川攀枝花 617000）

針對鋼企冷軋廠精密軋輥磨床存在的一種振動故障，分析了磨削工藝參數(shù)對振動的影響，并通過振動位移和加速度信號的檢測和FFT頻譜分析，得到了振動信號的譜特征。通過故障分級排除方法結(jié)合譜特征分析，找出了產(chǎn)生這種振動故障的原因，提出了消除這類故障的方法，并為防止這種故障的再次發(fā)生提出了相應(yīng)的解決辦法。

軋輥磨床；故障診斷；振動測試；譜分析；故障消除

高表面質(zhì)量冷軋板、帶生產(chǎn)，很大程度上依賴于軋輥的表面磨削質(zhì)量，而軋輥的表面質(zhì)量是由精密軋輥磨床保證的。如何保證精密軋輥磨床的磨削精度，準(zhǔn)確診斷和分析磨削缺陷，找出產(chǎn)生磨削缺陷的原因，并采取正確且經(jīng)濟(jì)的消除方法，是金屬板、帶生產(chǎn)企業(yè)面臨的技術(shù)難題。在對某鋼企冷軋廠精密軋輥磨床振動分析及消除的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn):磨削后的軋輥表面軸向產(chǎn)生周期性橫向貫通的直線振痕，偶爾夾雜單條或多條無規(guī)律的、肉眼難以辨別的振痕，但在亮光反射下偶爾可見。使用存在此類缺陷的工作輥進(jìn)行軋制時(shí)，將在軋制的帶鋼表面“印”出橫向亮紋，產(chǎn)生與該類缺陷頻率相同的振紋。

1 問題分析

1.1 磨削工藝參數(shù)分析

軋輥磨床的主要磨削工藝參數(shù)有:砂輪轉(zhuǎn)速，軋輥轉(zhuǎn)速，橫向進(jìn)給 (橫移速度），縱向進(jìn)給 (連續(xù)進(jìn)給）4個(gè)參數(shù)。工藝參數(shù)的選擇對軋輥磨床磨削的影響主要表現(xiàn)在:不同工藝參數(shù)引起的磨削力的變化、軋輥與砂輪轉(zhuǎn)速不同引起的床身和砂輪架的振動的差別。

磨削力源于工件與砂輪接觸引起的彈性變形塑性變形以及砂輪磨料與工作表面之間的摩擦作用。磨削力可分為互相垂直的3個(gè)分力，即沿砂輪切向的切向磨削力Ft，沿砂輪徑向的法向磨削力Fn以及沿砂輪軸向的軸向磨削力Fa。一般磨削中，軸向力Fa較小，可以忽略不計(jì)。由于砂輪磨粒具有較大的負(fù)前角，所有法向磨削力Fn大于切向磨削力Ft，通常Fn/Ft在1.5～3范圍內(nèi)，具體比值與被磨材料、砂輪銳度有關(guān)。

式中:Ft為切向主磨削力；

ap為磨削深度；

vs為砂輪速度；

vw為工件速度；

b為磨削寬度；

Fp，α，β，δ，γ為與磨削條件有關(guān)的正常數(shù)。

由上式可知，磨削力隨磨削深度 (進(jìn)給量）、工件速度、磨削寬度的增大而增大，隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小。

磨削力過大，在整體剛度一定的情況下，會加重砂輪與床身的不穩(wěn)定性，使砂輪的動力學(xué)性能變差，顫振幅值增大，同時(shí)工件表面因砂輪顫振而產(chǎn)生的振紋幅值相應(yīng)增加。

以下分別為各工藝參數(shù)對磨削質(zhì)量的影響分析:

(1）砂輪轉(zhuǎn)速

提高砂輪轉(zhuǎn)速可以提高磨削效率，減小磨削時(shí)的磨削力，使工件表面在磨粒犁耕后所形成的隆起高度減小，當(dāng)其他工況不變、砂輪轉(zhuǎn)速提高時(shí)，磨削后的表面精度相應(yīng)提高，但由于砂輪轉(zhuǎn)速提高，砂輪不平衡離心力變大，砂輪顫振現(xiàn)象將明顯增強(qiáng)，又會降低軋輥的加工精度。

(2）工件速度

較低的工件速度有助于降低磨削力的大小，提高表面質(zhì)量，增加支撐臺的穩(wěn)定性，但將降低磨削效率，使每個(gè)工件的磨削時(shí)間增長。

(3）磨削深度與磨削寬度

單次磨削深度越深，磨削的表面粗糙度越差，同時(shí)磨削力越大，機(jī)床的振動幅值越大；而磨削寬度越寬，磨削力也越大，機(jī)床的振動也更明顯。

1.2 振動原因預(yù)判

詳細(xì)分析軋輥磨床的機(jī)械結(jié)構(gòu)和磨削加工工藝，產(chǎn)生軸向直振紋的根本原因是在磨削時(shí)，砂輪與軋輥的接觸存在跳動。由于軋輥質(zhì)量大、剛性好，軋輥出現(xiàn)顫振的可能性非常小，因此跳動主要有兩種來源:(1）砂輪出現(xiàn)顫振。砂輪在磨削時(shí)與軋輥接觸面的法向上相對軋輥存在某一頻率的振動，這類周期振動使得軋輥表面出現(xiàn)同頻率的橫向振紋；(2）由于支撐問題出現(xiàn)軋輥某個(gè)或多個(gè)位置的定向跳動，這類跳動使軋輥在某一或多個(gè)位置出現(xiàn)橫向直振紋。引起砂輪顫振和軋輥跳動的原因分析如下［1－3］。

(1）砂輪顫振

砂輪由砂輪軸承支撐，經(jīng)砂輪主軸、皮帶輪與砂輪電機(jī)連接，其中任一部分的振動都有可能導(dǎo)致砂輪的顫振。軋輥磨削時(shí)，引起砂輪強(qiáng)迫振動的主要原因是:

①砂輪不平衡

由于砂輪不平衡產(chǎn)生的離心力使砂輪產(chǎn)生振動，振動的頻率等于砂輪回轉(zhuǎn)頻率，振動幅值由砂輪不平衡量的大小決定。該振動直接作用在工件上，產(chǎn)生等于砂輪轉(zhuǎn)頻的振紋。

②砂輪驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子不平衡

該組件的不平衡產(chǎn)生等于砂輪電機(jī)轉(zhuǎn)頻的振動，該振動通過傳動鏈傳給砂輪而作用在工件上，產(chǎn)生頻率等于電機(jī)轉(zhuǎn)頻的振紋。

③砂輪電機(jī)傳動皮帶長短不一致

對于三角皮帶傳動，由于長短不一致而引起皮帶的拍打，形成固定頻率的強(qiáng)迫振動源，對于磨削用量很小的精磨和光磨作業(yè)，此類振動的影響不可忽略。

④電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的諧波電流

由于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主回路的諧波電流引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動，形成頻率等于基頻或其諧波的強(qiáng)迫振動源。

軋輥磨削時(shí)，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的約束和系統(tǒng)阻尼的影響，強(qiáng)迫振動的振動幅值會存在一定程度的衰減或放大，進(jìn)而影響工件表面直振紋的深度。影響砂輪振動幅值的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)因素有:

①砂輪軸軸承間隙

軸承間隙直接影響軸承剛度。間隙小，軸承的抗振性能高，可減少砂輪軸振動的幅值。

②砂輪架橫向進(jìn)給導(dǎo)軌接觸剛度

導(dǎo)軌接觸剛度與導(dǎo)軌材料、導(dǎo)軌幾何加工精度和接觸精度有關(guān)。對于已確定材料的滑動導(dǎo)軌，其幾何加工精度和接觸精度高，則接觸剛度好，進(jìn)而提高砂輪架的抗振性能，減少砂輪的振動幅值。

③砂輪架橫向進(jìn)給系統(tǒng)傳動剛度

傳動系統(tǒng)剛度低或存在傳動間隙，則對砂輪架水平抗振性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，增大砂輪的振動幅值。

(2）軋輥跳動

軋輥在被加工時(shí)，由于自身的安裝、外界扭矩的輸入及各種干擾的影響，也可能使軋輥運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。軋輥磨削時(shí)，引起軋輥跳動的主要原因是:

①軋輥軸頸與支撐架潤滑不良

由于軋輥軸頸與支撐接觸處潤滑不良，軋輥軸頸表面油膜覆蓋不均勻，軋輥軸頸與中心架直接接觸發(fā)生局部干摩擦，產(chǎn)生類似爬行的間歇運(yùn)動，引起復(fù)雜振動。

②軸頸表面質(zhì)量不良

工作輥在安裝、軋制、再加工等工程中，對工作輥軸頸都存在不同程度的損傷，如劃痕、磨損等。這些缺陷都將在軋輥的再次磨削時(shí)，對軋輥的加工質(zhì)量有所影響。

③扭矩輸入不平衡

軋輥磨削時(shí)，床身電機(jī)轉(zhuǎn)動套耳帶動工作輥旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)扭矩輸入，當(dāng)上下耳受力不等時(shí)，也會導(dǎo)致軋輥旋轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。

2 振動測試驗(yàn)證

軋輥磨床的測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 軋輥磨床振動測點(diǎn)布置圖

振動測點(diǎn)分別選定于軋輥兩側(cè)支承的垂直、水平和徑向方向，測點(diǎn)分別為A1～A6；砂輪架垂直、水

2.1 軋輥磨床測點(diǎn)布置［4］

平和軸向3個(gè)方向，測點(diǎn)分別為A7～A9；磨床砂輪電機(jī)垂直和水平位置，測點(diǎn)分別為A10、A11，共11個(gè)測點(diǎn)，并砂輪電動機(jī)上安裝加速度傳感器測量其加速度信號。傳感器均采用磁吸座固定在測點(diǎn)位置。

2.2 測試設(shè)備

測試方案如圖2所示，采用MEAS8031-01加速度傳感器和CN61M/TD-10A位移傳感器，以及專門開發(fā)的故障信號分析系統(tǒng)CDMS2002。

圖2 軋輥磨床的測試方案

測試時(shí)，測試儀器擺放著磨床旁邊。在磨床上的測點(diǎn)位置做好標(biāo)記，以使測試過程的每一個(gè)階段測點(diǎn)的安裝位置保持不變。

3 測試信號分析［5－6］

根據(jù)前面的分析，砂輪架水平方向振動最大，取水平方向的數(shù)據(jù)來分析。圖3—5所示分別為磨床在拋光階段加工編號為360C59、383X58、354X59軋輥時(shí)，砂輪架水平方向的振動位移頻譜圖，表1為相應(yīng)頻譜圖中的主要頻率成份。

圖3 砂輪架水平振動時(shí)域波形 (軋輥編號360C59）

圖4 砂輪架水平振動時(shí)域波形 (軋輥編號383X58）

圖5 砂輪架水平振動時(shí)域波形 (軋輥編號354X59）

表1 圖3—5中的主頻率成份

從圖3—5的頻譜圖以及表1可以看出:砂輪架的振動主要以15 Hz和25 Hz的頻率成份為主，砂輪架垂直、軸向的振動頻譜也與此一致 (不再附圖）。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn):15 Hz為砂輪架轉(zhuǎn)頻，25 Hz為砂輪電機(jī)轉(zhuǎn)頻。這兩個(gè)頻率成分同時(shí)存在，并在所有的頻率成分中最為突出、數(shù)值最大，可以初步判定精密磨床振動故障應(yīng)與砂輪電動機(jī)軸和精密磨床主軸部件有關(guān)。根據(jù)多次檢測中15 Hz的砂輪轉(zhuǎn)頻成分一直較大這一現(xiàn)象，選擇砂輪電機(jī)的加速度信號作為進(jìn)一步分析的目標(biāo)。

經(jīng)比較各測點(diǎn)的加速度數(shù)值，發(fā)現(xiàn)砂輪電機(jī)的振動加速度數(shù)值最大，砂輪電機(jī)的水平和垂直方向上的加速度信號分析如圖6—9所示。圖6—7為磨削中間輥354X59時(shí)砂輪電機(jī)垂直、水平方向的時(shí)域波形及頻譜圖，圖8—9為磨削中間輥383X58時(shí)砂輪電機(jī)垂直、水平方向的時(shí)域波形及頻譜圖。

圖6 砂輪電機(jī)垂直振動加速度時(shí)域波形及頻譜圖 (軋輥編號354X59）

圖9 砂輪電機(jī)水平振動加速度時(shí)域波形及頻譜圖 (軋輥編號383X58）

圖7 砂輪電機(jī)水平振動加速度時(shí)域波形及頻譜圖 (軋輥編號354X59）

圖8 砂輪電機(jī)垂直振動加速度時(shí)域波形及頻譜圖 (軋輥編號383X58）

從砂輪電機(jī)的垂直和水平振動時(shí)域波形均可看出明顯的沖擊成分存在，表明砂輪電機(jī)軸承存在故障，因此可以初步確定振動故障在砂輪架傳動或支承系統(tǒng)上。由鉗工拆卸砂輪架并檢查電動機(jī)支架后發(fā)現(xiàn)，砂輪架滑輪與皮帶在軸向存在不光滑的磨損，砂輪軸承外圈有疲勞點(diǎn)蝕存在。經(jīng)分析認(rèn)為:砂輪架滑輪與皮帶軸向的磨損造成驅(qū)動電機(jī)皮帶與滑輪在運(yùn)動過程中產(chǎn)生軸向“推力”(皮帶與滑輪偏心），從而使一倍頻過大。另外，在圖6—9的頻率圖中，高頻區(qū)域存在突出的峰群，也說明砂輪軸承存在疲勞點(diǎn)蝕方面的故障。經(jīng)進(jìn)一步的計(jì)算，137.5 Hz與軸承外圈產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕時(shí)的沖擊頻率是一致的。

4 磨床的改進(jìn)措施

(1）更換皮帶，調(diào)整皮帶兩端滑輪的偏心。

(2）檢修砂輪電機(jī)，更換軸承，使其恢復(fù)原始性能。

(3）重新調(diào)整砂輪主軸的軸承間隙，軸承間隙直接影響軸承剛度，間隙小，軸承的抗振性能高。

5 建議

在精密磨床中，砂輪不平衡造成的危害主要有［7－8］:(1）高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不平衡力引起機(jī)床的振動，造成工件表面產(chǎn)生振紋；(2）不平衡加速了主軸的振動和軸承的磨損，嚴(yán)重時(shí)會造成砂輪的破裂，造成事故。因此，為保證砂輪平衡和減小振動，作者建議:

(1）每次更換砂輪的時(shí)候，對砂輪進(jìn)行兩次靜平衡，安裝新砂輪的時(shí)候，進(jìn)行一次靜平衡，然后裝在主軸上在其充分吸收冷卻液后拆下進(jìn)行第二次靜平衡。

(2）拆下砂輪電機(jī)的轉(zhuǎn)子，將轉(zhuǎn)子和皮帶輪一起進(jìn)行動平衡，選擇皮帶時(shí)盡量長短一致，安裝時(shí)松緊適當(dāng)。

(3）可以在電機(jī)與機(jī)床的連接處墊橡膠塊或其他柔性塊通過緩沖來減小振動。

(4）增加軸瓦的支承剛度，可提高磨床的抗振性和穩(wěn)定性。

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Default Vibration Analysis and Elim ination for Precision Roller Grinder

TAN Xingqiang，CHEN Xinde
(Mechanism Department of Panzhihua University，Panzhihua Sichuan 617000，China）

A type of detectingmethod for vibration default of precision roller grinder of cold rolling factory was introduced.According to influence of grinding technical parameters on vibration，and assisting by detecting and FFT analysis of displacement signals and acceleration signals，frequency character of default vibration was gotten.By default classification elimination method combining frequency analysis，default reasonswere found，and a correctmethod for default elimination and avoidance was given in end.

Roller grinder；Default detecting；Vibration detecting；Frequency analysis；Default elimination

TH17

B

1001－3881(2014）10－064－4

10.3969/j.issn.1001-3881.2014.10.019

2013－04－11

攀鋼企業(yè)橫向科研項(xiàng)目 (2012S0107）

譚興強(qiáng) (1971—），博士，副教授，從事機(jī)電一體化及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造方面的教學(xué)科研工作。E－mail:tan65126919@163.com。