基于現(xiàn)場的滾珠絲杠副可靠性檢測淺析*

宋 瑜 田 毅 米繼鋒 閆篤政

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基于現(xiàn)場的滾珠絲杠副可靠性檢測淺析*

宋 瑜 田 毅 米繼鋒 閆篤政

（陜西漢江機(jī)床有限公司 陜西漢中723003）

本文針對滾珠絲杠副的可靠性檢測，通過基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃詸z測和基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性檢測兩方面的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了分析、研究。通過現(xiàn)場不同階段的前期檢測，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理問題，以保證滾珠絲杠副的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。

滾珠絲杠副 可靠性檢測 數(shù)據(jù)采集分析

1 基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃詸z測

基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃詸z測是根據(jù)滾珠絲杠副在正常條件下的運(yùn)行模型，并結(jié)合其機(jī)械動(dòng)力學(xué)特性和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，歸納出滾珠絲杠副失效的物理模型，再通過與檢測結(jié)果的對比，判定其是否要進(jìn)行維護(hù)或功能是否喪失，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決問題保證可靠運(yùn)行。

1.1 常規(guī)保養(yǎng)的項(xiàng)目檢測

為了監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的日常維護(hù)保養(yǎng)，國內(nèi)有團(tuán)隊(duì)專門開發(fā)了一套日常維護(hù)信息化管理系統(tǒng)，在機(jī)床開機(jī)時(shí)必須完成一系列日常維護(hù)管理活動(dòng)的輸入，機(jī)床才能正常運(yùn)行。調(diào)查顯示，日常保養(yǎng)良好的設(shè)備工作時(shí)發(fā)生故障的幾率將減少37%。

作為數(shù)控機(jī)床主要進(jìn)給功能部件的滾珠絲杠副，對設(shè)備的正常可靠使用有著決定性作用。每臺(tái)設(shè)備的日常保養(yǎng)模式對滾珠杠副的正常運(yùn)行有很大影響，由于在日常保養(yǎng)中會(huì)發(fā)現(xiàn)許多影響滾珠絲杠副可靠性的因素，因此很有必要對每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行不同類型的保養(yǎng)，提前發(fā)現(xiàn)并解決小故障，保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通常建議按間隔時(shí)間長短要定期完成設(shè)備的不同類型的保養(yǎng)：日常保養(yǎng)、周末保養(yǎng)、二級(jí)保養(yǎng)、三級(jí)保養(yǎng)。在不同的保養(yǎng)段對滾珠絲杠副進(jìn)行不同的項(xiàng)目檢測，來及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種不可靠因素，同時(shí)也要進(jìn)行影響滾珠絲杠副可靠性的關(guān)聯(lián)件的常規(guī)檢測，像機(jī)床上導(dǎo)軌潤滑、液壓、氣壓等條件是否正常。不同的保養(yǎng)階段不僅是對滾珠絲杠副的檢測，還進(jìn)行不同程度的項(xiàng)目檢測，主要是及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種不可靠因素。對各保養(yǎng)階段的項(xiàng)目檢測結(jié)果要嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備保養(yǎng)記錄制度，在每次的常規(guī)檢測記錄表中，填寫設(shè)備名稱，檢測時(shí)間，檢測人員，按照不同保養(yǎng)階段的內(nèi)容記錄詳細(xì)情況及數(shù)值。通過對長期積累的檢測數(shù)值分析，全面掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，為滾珠絲杠副可靠性分析提供數(shù)據(jù)支持。設(shè)備保養(yǎng)各階段的具體保養(yǎng)內(nèi)容如下：

日常保養(yǎng)主要是每天每班工作前由現(xiàn)場操作工完成，維修人員每天對機(jī)床日常檢查登記情況進(jìn)行檢督。主要檢查內(nèi)容有：（1）每天工作前檢查機(jī)床的平衡壓力是否正常。（2）絲杠、導(dǎo)軌潤滑油、機(jī)床液壓油是否充分，有無泄漏。（3）機(jī)床加工時(shí)需要的各項(xiàng)外部氣源壓力是否達(dá)到正常標(biāo)準(zhǔn)。

在周末保養(yǎng)中操作工要定期對機(jī)床的整體進(jìn)行清掃，檢查絲杠、導(dǎo)軌等的潤滑情況。滾珠絲杠副的主要特征在于利用鋼球滾動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)小的特點(diǎn)，因此必須保證滾珠絲杠副內(nèi)部充足的潤滑。對涂抹潤滑脂的新絲杠在使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)滾道內(nèi)有明顯的發(fā)黑潤滑脂時(shí)，應(yīng)將滾道的舊潤滑脂擦干凈，重新涂上干凈潤滑脂。對于油潤滑的絲杠，要檢查油路是否通暢，油管位置是否正確，滴油量大小要能保證充分潤滑絲杠。同時(shí)通過眼觀和手觸去檢查導(dǎo)軌表面是否發(fā)生摩擦和疲勞損傷。

每月進(jìn)行的二級(jí)保養(yǎng)中維修人員對操作工的保養(yǎng)情況進(jìn)行檢查。主要內(nèi)容為：日常保養(yǎng)中不容易處理的或需要去掉防護(hù)罩保養(yǎng)的機(jī)床部件和比較重要的部件，如：絲杠、導(dǎo)軌、刀庫、主軸、齒條等的清潔和潤滑。

每半年進(jìn)行的三級(jí)保養(yǎng)中對高性能的數(shù)控機(jī)床檢測，要使用激光干涉儀對機(jī)床的定位精度進(jìn)行檢查和補(bǔ)償，以及對機(jī)床幾何精度的檢查。要檢測機(jī)床電器柜內(nèi)電器元件的清潔，機(jī)床油路、氣路是否堵塞，機(jī)床主軸跳動(dòng)、垂直度等主軸精度的檢測。

豬瘟俗稱“爛腸瘟”，它是由豬瘟病毒引起的一種高度接觸性傳染病。豬瘟病毒（CSFV）屬于黃病毒科豬瘟病毒屬，CSFV為單股正鏈RNA有囊膜病毒。自1833年首次在美國俄亥俄州發(fā)現(xiàn)CSF。近百年以來，一直在全世界范圍內(nèi)流行，也是目前危害我國養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展的主要疫病之一。中國自主研制的豬瘟兔化弱毒疫苗在防治CSF過程中具有很重要的作用，但近年來各地生豬養(yǎng)殖場仍有CSF免疫效果不理想的情況出現(xiàn)。

1.2 失效物理形式的檢測

滾珠絲杠副在使用中由于實(shí)際承載變化過大、撞車、使用壽命到期等因素，前期都會(huì)表現(xiàn)出許多失效的物理形式。如零件表面產(chǎn)生裂紋，絲杠滾道內(nèi)有碰傷、擠壓、拉毛等肉眼能發(fā)現(xiàn)的失效因素。在平時(shí)的檢修中發(fā)現(xiàn)這些失效形式出現(xiàn)，就預(yù)示著滾珠絲杠副的壽命到期，需要進(jìn)行重新更換備件。

1）加工零件失效形式的檢測

機(jī)床在加工直線和圓弧的插補(bǔ)功能時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)批量加工零件的尺寸變化不穩(wěn)定，或零件的表面粗糙度下降，并且發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)鏈上其它部分都沒問題，就要考慮檢查絲杠的精度是否走失或絲杠發(fā)生了其它失效的情況。

2）絲杠和螺母滾道表面失效形式的檢測

在設(shè)備的使用中，當(dāng)沖擊應(yīng)力超過滾珠絲杠副材料的彈性極限，產(chǎn)生的變形在外力去除后材料不能恢復(fù)到原來的形狀，而殘留一部分變形，這種殘留的變形就是不可逆的塑性變形。在極低速或緩慢往復(fù)運(yùn)動(dòng)條件下，當(dāng)載荷很大，滾動(dòng)體和滾道接觸處的局部應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí)，常會(huì)使?jié)L道的工作表面發(fā)生永久的塑性變形。圖1中絲杠滾道的齒形頂部已經(jīng)沖壞，圖2為絲杠滾道內(nèi)擠傷的情況。

滾珠絲杠副在承載情況下，鋼球在絲杠和螺母的滾道內(nèi)反復(fù)循環(huán)滾動(dòng)，對滾道接觸部分形成反復(fù)滾壓；同時(shí)外界環(huán)境的細(xì)小灰塵也會(huì)帶到循環(huán)滾道中，隨著機(jī)床運(yùn)行里程增加，雜質(zhì)會(huì)越積越多，也將阻滯鋼球的順暢返向；加之產(chǎn)生的摩擦熱等因素會(huì)使?jié)L道表面產(chǎn)生疲勞剝落與疲勞點(diǎn)蝕；這樣滾珠絲杠的滾道表面初期會(huì)出現(xiàn)微小的裂紋，慢慢地裂紋逐漸增多并擴(kuò)散，最終使?jié)L道表面產(chǎn)生許多小片剝落，形成麻點(diǎn)，也就是形成滾道點(diǎn)蝕。由于外界載荷長時(shí)間反復(fù)作用，滾道點(diǎn)蝕后，鋼球在絲杠和螺母滾道內(nèi)的不能平穩(wěn)接觸，在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行聲音明顯增大現(xiàn)象，引起機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度喪失。

圖1 絲杠滾道的齒形頂部變形示意圖

這些表面失效形式的檢測，在設(shè)備的二級(jí)保養(yǎng)中，要拆開絲杠滾道部分保護(hù)套，用紗布擦干凈滾道，檢測滾道內(nèi)表面是否有裂紋、碰傷、擠壓，拉毛、剝落等現(xiàn)象，這些都會(huì)影響到絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)精度。同時(shí)在機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)中，由于操作不當(dāng)產(chǎn)生撞車時(shí)，瞬間的沖擊力可能使絲杠的滾道齒形部位變形，更嚴(yán)重會(huì)把滾道沖壞一塊，使螺母卡死或從螺母疲勞部位斷裂，直接影響到機(jī)床的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。螺母斷裂如圖3所示。

圖3 螺母斷裂示意圖

2 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性檢測

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性檢測就是預(yù)先對現(xiàn)場新購機(jī)床或各種性能完好的已使用機(jī)床上的滾珠絲杠副進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測采集，再和使用中不同檢測時(shí)期采集的實(shí)際數(shù)據(jù)分析、對比，發(fā)現(xiàn)機(jī)床的滾珠絲杠副性能失效等存在的可靠性問題。

2.1 基于機(jī)床本體設(shè)施的反饋電流檢測

數(shù)控機(jī)床上的滾珠絲杠副做為執(zhí)行部件，都采用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，不管是半閉環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)，都可以檢測到現(xiàn)場完好機(jī)床在空載和承載情況下電動(dòng)機(jī)對滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)力的電流變化值。對滾珠絲杠副施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力會(huì)消除絲杠的返向間隙，當(dāng)絲杠發(fā)生磨損以后，預(yù)緊力就會(huì)減小，使絲杠出現(xiàn)返向間隙，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流就會(huì)減??；同時(shí)滾珠絲杠副在長期運(yùn)轉(zhuǎn)下，外界環(huán)境的細(xì)小灰塵也會(huì)帶到循環(huán)滾道中，隨著機(jī)床的長期運(yùn)行，雜質(zhì)會(huì)越積越多，也將阻滯鋼球的順暢返向，這樣就加大了電動(dòng)機(jī)對滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)力的電流。因此檢測到的驅(qū)動(dòng)電流與常規(guī)情況下的數(shù)值有變化時(shí)，就要進(jìn)行現(xiàn)場使用條件的分析和相應(yīng)的部件檢測。

2.2 基于激光干涉儀對機(jī)床定位精度的檢查和補(bǔ)償

在機(jī)床的三級(jí)保養(yǎng)進(jìn)行中，要采用激光干涉儀，通過移動(dòng)工作臺(tái)面對各軸絲杠的定位精度、重復(fù)定位精度進(jìn)行檢測，再對比不同時(shí)期絲杠精度的變化情況。檢測中一副合格的滾珠絲杠副行程誤差精度曲線如圖4所示，使用后不合格的行程誤差精度曲線如圖5、圖6、圖7所示。

圖4中合格滾珠絲杠副行程誤差精度的曲線向下延長，表示絲杠的行程補(bǔ)償值為負(fù)值，行程變動(dòng)平穩(wěn)，沒有突跳的部分，符合使用要求。

圖4 合格滾珠絲杠副行程誤差精度的曲線示意圖

圖5中為曲線的向上延長，表示絲杠的行程補(bǔ)償值為正值，行程偏差已不符合行程補(bǔ)償值為負(fù)值的要求。

圖6中絲杠行程變動(dòng)量2πp、行程變動(dòng)量300P、行程變動(dòng)量up部分都有突跳，導(dǎo)致2πp、300P、up都不合格。

圖7中因?yàn)樾谐陶`差精度曲線直線性整體不好，忽正忽負(fù)，導(dǎo)致2πp、300P、up行程偏差整體都不合格。

圖5 絲杠的行程補(bǔ)償值為正值時(shí)精度的曲線示意圖

圖6 絲杠行程變動(dòng)量變化時(shí)精度的曲線示意圖

圖7 行程誤差變化時(shí)精度的曲線示意圖

3 結(jié)語

基于現(xiàn)場的滾珠絲杠副可靠性檢測就是為了通過現(xiàn)場不同階段的檢測采集數(shù)據(jù)去發(fā)現(xiàn)、處理問題。在故障前期通過科學(xué)的，符合現(xiàn)場實(shí)際情況的維護(hù)保養(yǎng)方式，增強(qiáng)可靠性保障措施，把故障消除在前期，降低設(shè)備故障的發(fā)生頻率。

[1] GJB451A-2005可靠性維修性保障性術(shù)語[S].2005.

[2] GJB1931-92故障模式、影響及危害分析程序[S].1992.

[3] 張根保,李磊.使用可靠性保障技術(shù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2015(6):5-12.

[4] 張根保,楊興勇.可靠性分析技術(shù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2015(1):7-14.

*國家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)

編號(hào)：2013ZX04001-021