機(jī)械主軸軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠，成都 610092）

在數(shù)控機(jī)床加工中，主軸是機(jī)床的重要部件之一，它的性能直接決定了加工工件的表面質(zhì)量，一旦主軸出現(xiàn)故障，將造成機(jī)床長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。其中主軸的很多機(jī)械故障是由于機(jī)床關(guān)鍵部件磨損、振動(dòng)、超負(fù)荷加工等加工狀態(tài)或外部環(huán)境改變引起的漸變性故障[1]，因此對(duì)主軸進(jìn)行預(yù)防性維修，尤其是監(jiān)測(cè)其振動(dòng)情況是很有必要的。萬海波等[2]研制了基于HHT時(shí)頻分析方法的機(jī)床主軸振動(dòng)分析系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。籍永建等[3]利用EMD的方法對(duì)主軸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。汪順利等[4]利用LabVIEW 對(duì)主軸進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量與分析。目前很多學(xué)者對(duì)數(shù)控主軸的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)沒有很好地應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，對(duì)實(shí)際發(fā)生的突發(fā)性故障也缺少實(shí)際案例分析。

為了保障數(shù)控機(jī)床的正常使用，對(duì)潛在故障進(jìn)行預(yù)防性維修，本文針對(duì)某國(guó)外龍門機(jī)床的機(jī)械主軸展開振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析研究?；诟咝У恼駝?dòng)分析裝置對(duì)該機(jī)械主軸運(yùn)行過程中振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集分析，與廠家允許的振動(dòng)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)異常位置；通過計(jì)算關(guān)鍵軸承的特征頻率，診斷得到故障部件；對(duì)比歷史故障信息，進(jìn)一步確定故障部位，指導(dǎo)維修人員提前訂購(gòu)備件，制定相關(guān)維修計(jì)劃。

1 振動(dòng)分析與診斷

1.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是指機(jī)器在運(yùn)行情況下，了解和確定其狀態(tài)的過程。工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的主要狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)有振動(dòng)分析與診斷、潤(rùn)滑油分析、紅外熱成像技術(shù)、超聲波檢測(cè)（材料厚度/缺陷檢測(cè)）和電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與電流特征分析等，其中振動(dòng)分析是最常用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。在工程應(yīng)用中，為了真實(shí)準(zhǔn)確反映機(jī)械傳動(dòng)部件的振動(dòng)狀態(tài)，要注意選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置和采集方法，傳感器一般安裝在主軸端面附近的軸承位置有較好的監(jiān)測(cè)效果[5–6]。另外必須注意對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行多次采集和分析，進(jìn)行橫向綜合比較，也需要通過將設(shè)備的振動(dòng)頻譜與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向比較，為預(yù)防性維修提供可靠的理論指導(dǎo)和故障信息。

1.2 軸承故障診斷

軸承是大多數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)中最重要的部件之一，軸承的工作狀態(tài)與旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行可靠性息息相關(guān)。然而在數(shù)控加工的復(fù)雜環(huán)境中，主軸系統(tǒng)內(nèi)的軸承在使用中存在過早失效的現(xiàn)象。主要原因有超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、主軸潤(rùn)滑不足、誤操作帶來的隱形損傷、密封效果差或配合過緊等，這些因素都會(huì)產(chǎn)生特定類型的軸承故障，導(dǎo)致軸承振動(dòng)加劇造成災(zāi)難性破壞[7–8]。

在生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，軸承在其使用過程中表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性，并且重復(fù)性強(qiáng)。

軸承各部件都有其特殊的故障頻率，若軸承發(fā)生故障，它的幅值增加，并有諧波，諧波兩邊產(chǎn)生邊頻。軸承有4個(gè)部件組成：滾動(dòng)體、保持架、外環(huán)和內(nèi)環(huán)。對(duì)軸承故障機(jī)理研究表明，當(dāng)軸承損傷時(shí)，將出現(xiàn)4種故障頻率之一或若干故障頻率同時(shí)出現(xiàn)[9–10]。軸承的故障頻率可用下列公式計(jì)算：

式中，n為滾動(dòng)體數(shù)量；d為滾動(dòng)體直徑，mm；D為軸承節(jié)徑，mm；α為接觸角，（°）；r為轉(zhuǎn)速，r/min；

2 案例分析

2.1 機(jī)械主軸狀況

數(shù)控機(jī)床中的機(jī)械主軸有轉(zhuǎn)速低、扭矩大的特點(diǎn)，適宜加工高強(qiáng)度、高硬度材質(zhì)。本次以某國(guó)外高端龍門機(jī)床的機(jī)械主軸為研究對(duì)象進(jìn)行振動(dòng)分析。該主軸在一年前由于主軸端面的軸承磨損嚴(yán)重造成了滾動(dòng)體脫落，等待備用軸承造成停工數(shù)月嚴(yán)重影響了零件的交付，在維修更換后，為了避免突發(fā)性設(shè)備故障造成的經(jīng)濟(jì)損失，設(shè)備人員開始對(duì)該主軸定期進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，監(jiān)控主軸運(yùn)行狀態(tài)，重點(diǎn)關(guān)注主軸更換后的軸承使用狀態(tài)。

2.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

主軸振動(dòng)分析采用了一款SmartBalancer的儀器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，它是一個(gè)方便高效的檢測(cè)儀器，搭配了一個(gè)三相加速度傳感器，可以快速對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集分析而不用拆卸機(jī)床主軸[11]。在每次進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，需要保證主軸轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)、裝配刀具及傳感器位置一致，測(cè)量數(shù)據(jù)才可以真實(shí)反映故障的變化趨勢(shì)。具體參數(shù)信息如表1，傳感器位置如圖1所示。

2.3 軸承故障頻率計(jì)算

該主軸大修后更換的軸承參數(shù)如表2所示。

依據(jù)上述技術(shù)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算軸承各部件在軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)的故障頻率：

上面計(jì)算的各特征頻率都是從理論上推導(dǎo)出來的，而實(shí)際軸承的幾何尺寸會(huì)有誤差，加上軸承安裝后的變形，使實(shí)際的頻率與計(jì)算所得的頻率會(huì)有差異，所以在頻譜圖上尋找各特征頻率時(shí)，需在計(jì)算的頻率值上下找其近似的值來做判斷。

表1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù)信息Table1 Vibration monitoring parameter information

圖1 機(jī)械主軸及傳感器位置Fig.1 Mechanical spindle and sensor position

2.4 故障分析

經(jīng)過兩個(gè)多月的持續(xù)性監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該主軸的振動(dòng)速度均方根值RMS ≥0.2mm/s，超過了SKF 軸承制造商建議的安全振動(dòng)限值0.2mm/s。針對(duì)此異?，F(xiàn)象對(duì)主軸進(jìn)行振動(dòng)頻譜分析，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)故障原因，本文選取了近兩個(gè)月的測(cè)量結(jié)果作故障分析，8 次頻譜圖分布如圖2所示。

從頻譜圖的譜線分布來看，在0～1000Hz 軸承范圍內(nèi)，軸承內(nèi)圈故障頻率383.9Hz（實(shí)測(cè)為388Hz，與計(jì)算值非常接近）的幅值非常明顯，而且每次測(cè)量幅值都會(huì)較前一次增大（表3），兩個(gè)多月的時(shí)間內(nèi)從0.18mm/s2增大到0.27mm/s2，結(jié)合之前該主軸軸承故障進(jìn)行綜合考慮，由此可以判斷該軸承的內(nèi)圈已經(jīng)出現(xiàn)了缺陷。同時(shí)內(nèi)圈故障頻率兩側(cè)均有明顯邊頻帶，說明該內(nèi)圈故障在這段時(shí)間內(nèi)持續(xù)擴(kuò)展導(dǎo)致了幅值的增大。

圖2 故障頻譜圖Fig.2 Fault spectrum diagram

表2 軸承參數(shù)信息Table2 Bearing parameter information

表3 8次故障頻率幅值記錄Table3 Eight fault frequency amplitude recording（mm·s–2)

另外從頻譜圖中可以看到，軸承外圈故障頻率316.1Hz的2X幅值（實(shí)測(cè)值為656Hz）也較為明顯，推斷出軸承的外圈受內(nèi)圈故障影響出現(xiàn)缺陷的可能性比較大。在800～900Hz 之間出現(xiàn)的高頻連續(xù)譜，噪聲底線明顯抬高，分析認(rèn)為是內(nèi)圈故障正在進(jìn)一步惡化，造成了主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)摩擦的現(xiàn)象。

通過上述分析可以得到該機(jī)械主軸的軸承已經(jīng)出現(xiàn)了故障隱患，需要在下次檢修中安排更換軸承。經(jīng)過和維修人員確認(rèn)，上次軸承故障就是內(nèi)圈嚴(yán)重破損導(dǎo)致滾動(dòng)體散落發(fā)出異響才進(jìn)入維修，此次距離更換軸承后時(shí)間不超過半年，軸承內(nèi)圈已經(jīng)出現(xiàn)了缺陷，推斷可能是主軸內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)存在缺陷或者由軸承安裝和潤(rùn)滑等因素導(dǎo)致的。為避免缺陷擴(kuò)大導(dǎo)致停機(jī)故障，已經(jīng)提交備件采購(gòu)流程，同時(shí)采取機(jī)床限制性使用和按期振動(dòng)監(jiān)測(cè)等措施進(jìn)行主軸狀態(tài)跟蹤。

3 結(jié)論

通過對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障分析，可以判斷出主軸軸承的運(yùn)行情況、出現(xiàn)缺陷的部件及缺陷的嚴(yán)重程度。在實(shí)際應(yīng)用中，操作人員可以通過便攜式儀器對(duì)主軸狀態(tài)進(jìn)行快速檢查，診斷上可采取振動(dòng)速度有效值結(jié)合頻譜分析的方法進(jìn)行綜合診斷，為設(shè)備維修和備件采購(gòu)提供可靠的理論指導(dǎo)，降低因軸承故障造成主軸事故擴(kuò)大的可能性。對(duì)主軸診斷的技術(shù)還可以采取監(jiān)測(cè)噪聲、溫度和潤(rùn)滑等多種技術(shù)手段結(jié)合，可以提高主軸故障識(shí)別與診斷的準(zhǔn)確率。