基于性能測試的電主軸預防性維修方法研究*

張日升 劉維新 余 緯 胡 秋

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

高速高精電主軸是高檔數(shù)控機床的核心組成部件，其性能和可靠性直接影響加工質量[1]。在長期運行過程中，電主軸性能會逐漸退化[2]，剩余壽命逐步下降，發(fā)生故障的潛在可能性逐漸增加[3]。故障一旦發(fā)生，可能造成嚴重的質量和經濟損失，建立科學有效的預防性維修體系、避免電主軸退化型事故和確保電主軸長期安全穩(wěn)定運行，是目前機床故障診斷領域需要解決的問題之一[4]。

高速高精電主軸一般無齒輪箱結構，采用變頻器直接進行調速，結構上包括電機定子、電機轉子、冷卻系統(tǒng)、拉刀機構、支撐軸承、潤滑系統(tǒng)和主軸殼體[5]。長期服役過程中，潤滑不良會造成軸承過快磨損，使用不當會造成拉刀機構碟簧或拉刀損壞，長期高負載使用會造成軸承故障引起加工振紋等現(xiàn)象。上述電主軸漸變型故障大多會經歷由正常到退化直至失效的過程，通常會經過一系列不同的性能退化狀態(tài)[6]，性能的退化又會引起故障敏感特征的變化，掌握故障敏感特征與性能退化之間的映射關系，通過對故障敏感特征的監(jiān)測預警能夠實現(xiàn)故障預測[7]。電主軸預防性維修的意義在于，通過長期跟蹤，掌握電主軸性能退化趨勢，進而預測部件的剩余壽命，在適當?shù)臅r間進行擇機修復[8]，減少或降低電主軸故障對正常排產造成的沖擊，以有效預防一些隱性的質量問題，如加工件表面振紋、粗糙度超差等問題。

本文針對電主軸預防性維修問題，首先分析電主軸結構和常見故障，得到電主軸故障多發(fā)部位和故障原因；然后基于分析結果設計預防性維修體系，對故障多發(fā)的關鍵部位設計性能測試方案和評價標準，形成體系化的電主軸預防性維修方法；最后將設計的預防性維修方法應用于長期服役的電主軸，以驗證所提電主軸預防性維修方法的有效性。

1 電主軸常見故障

1.1 電主軸基本結構

電主軸與機械主軸的主要區(qū)別是采用了電機內置的結構，具有高剛度、小轉動慣量的特點。由于轉速較機械主軸高出很多，傳統(tǒng)的油脂潤滑不能滿足高速潤滑的要求，加工中心電主軸多采用油氣潤滑方式；由于轉速高發(fā)熱大，電主軸大多需要專門的冷卻設備，殼體內部開有冷卻管道。常見的電主軸基本結構如圖1所示[5]。

1.2 電主軸常見故障

結合工程實踐中維修的多個型號電主軸，試分析電主軸基本結構與常見故障。

(1)拉爪和碟簧組成拉刀機構，是電主軸實現(xiàn)快速自動換刀功能的關鍵功能部件。在長期服役過程中，拉爪與刀柄存在碰撞、摩擦，是電主軸的常見故障源之一；碟簧的作用是拉緊刀柄，松刀時在打刀缸作用下克服碟簧拉力松開刀柄，碟簧本質上等效于一段彈簧，在長期服役過程中，彈簧會逐漸產生變形、失效，碟簧上限壽命一般推薦20萬次，超過壽命上限后其可靠性大幅下降，也是電主軸常見故障源之一。

(2)前端軸承和后端軸承是電主軸轉子系統(tǒng)的支撐部分，是轉子系統(tǒng)與外部殼體的耦合部位。高速高精電主軸軸承精度較高，大多采取前端固定后端游動的安裝方式。在長期服役過程中，軸承滾子與軸承滾道之間高速相對運動，摩擦產生的熱量如不能及時排出會造成潤滑油膜失效，進而造成滾子、滾道之間的相對摩擦，是電主軸常見故障源之一[9]。

(3)高速高精電主軸一般采用油氣潤滑，通過壓縮空氣和油氣發(fā)生器向電主軸軸承供應精確微量潤滑油，降低因潤滑油攪動而產生的過多熱量，減小軸承溫升，延長軸承的精度壽命。在長期服役過程中，由于供氣壓力不穩(wěn)定、氣密性不良和潤滑油泵損壞等原因，導致油氣潤滑質量下降，進而導致軸承發(fā)熱過快磨損，是電主軸常見故障之一。

(4)電主軸液壓系統(tǒng)主要功能是在快速自動換刀過程中克服碟簧拉刀力使拉刀機構松刀，根據(jù)拉刀機構形式不同所需的液壓松刀力也不同。在長期服役過程中，由于液壓系統(tǒng)的液壓油只在本系統(tǒng)內部循環(huán)，經常會忽視對液壓系統(tǒng)液壓油相關的檢測，由于油液變質、泄漏和雜質混入導致的液壓壓力不足會造成松刀力不夠，極端情況下會造成換刀故障，更多的情況下會造成換刀偶發(fā)卡頓報警，是電主軸常見故障之一。

根據(jù)上述結構分析和故障原因分析，梳理總結如表1所示。

表1 電主軸常見故障部位和故障原因

2 電主軸預防性維修方法

2.1 基于性能測試的預防性維修體系設計

常規(guī)的電主軸性能檢測方法是每隔2～3年對電主軸進行精度檢測[10]，周期較長，如表2所示。它能夠準確辨識出電主軸精度下降問題，在以往的單機生產過程中對設備維保起到了重要支撐作用。

表2 電主軸幾何精度檢驗表

但隨著自動化生產模式的推進，數(shù)控機床及其主要組成部分的電主軸的工作負荷增大、工作頻率升高，以往2～3年的精度定檢周期已不能滿足自動化生產模式對設備維保的新需求；并且，精度檢測結果是所有故障的綜合體現(xiàn)，還需要進一步分解到電主軸的各個組成部分進行進一步分析和定位。

電主軸預防性維修的主要目標是從常見故障部位和故障原因出發(fā)，設計一套檢測頻率更高、基本不影響自動化生產節(jié)拍及故障定位更準確的預防性維修體系。結合本文第1節(jié)的結構分析和故障原因分析結果，設計電主軸預防性維修體系如圖2所示。

其中，換刀測試可從換刀流暢度上直觀反映拉刀、液壓2個系統(tǒng)的狀態(tài)，只需編制簡單的換刀程序循環(huán)執(zhí)行即可；溫升測試采用主軸最高轉速持續(xù)運行20～30 min，用場溫儀每隔1 min記錄主軸溫度最高處溫度并判斷，即可直觀反映冷卻、潤滑2個系統(tǒng)的狀態(tài)。圖中重點關鍵部件性能測試詳細方案設計如下。

2.2 電主軸拉刀力測試

電主軸拉刀力由碟簧提供，通常成組安裝成碟簧組，多片碟簧通過自身變形和互相壓縮產生拉刀力。碟簧封裝在電主軸內部，如想直接檢查碟簧狀態(tài)需要將拉刀機構取出，但拉刀機構的拆裝比較繁瑣，并且頻繁地拆裝可能對電主軸性能造成一定的影響。因此，針對電主軸常見故障源之一的碟簧進行研究，從碟簧的用途出發(fā)，根據(jù)碟簧是拉刀力產生的唯一來源角度出發(fā)，通過拉刀力測試來間接判斷碟簧狀態(tài)。

測量拉刀力時，首先通過數(shù)控系統(tǒng)控制打刀缸電磁閥使刀具軸處于松刀狀態(tài)，手動將組裝好的、安裝了對應刀柄轉接頭的拉刀計放入電主軸錐孔內，數(shù)控系統(tǒng)控制打刀缸電磁閥失電拉刀，拉刀計被拉緊并顯示一個穩(wěn)定的目前拉刀力讀數(shù)，如圖3所示。

常見的主軸拉刀機構接口形式主要有BT、HSK、CAPTO等，本文主要主要針對高速高精電主軸預防性維修，BT形式拉刀機構由于設計原理并不適合高速高精電主軸，所以本文不做討論。表3列出高速高精電主軸常見的HSK、CAPTO拉刀機構的拉刀力測試結果的評價標準。

表3 電主軸常見拉刀機構標準拉刀力

工程實踐中，為提高主軸、刀具系統(tǒng)的剛度，機床廠商往往會增大拉刀力數(shù)值，HSK、CAPTO拉刀機構的拉刀力測試結果正常情況下均比上表中列出的數(shù)值大，一般認為實際測量值比表中標準值大20%以內均屬正常。

2.3 電主軸拉刀機構EM值測試

EM值(eject measurement)指拉爪受后端打刀缸作用伸出電主軸錐孔的長度，即伸出錐孔的拉爪端面與電主軸錐孔端面之間的距離，該距離必須在電主軸冷卻狀態(tài)下測量。

測量電主軸EM值時，首先退出刀具，使刀具軸拉刀機構處于松刀狀態(tài)；然后用深度尺測量拉爪端面與錐孔端面之間距離；重復上述步驟反復測量3次，取3次測量平均值作為EM值，如圖4所示。

表4列出常見的高速高精電主軸采用的HSK、CAPTO拉刀機構拉刀力測試結果評價標準。

表4 電主軸常見拉刀機構標準EM值 mm

表4中，HSK形式拉刀機構的拉刀爪在松刀狀態(tài)下會伸出電主軸錐孔，而CAPTO形式拉刀機構的拉刀爪在松刀狀態(tài)下不會伸出電主軸錐孔，測量的EM值相對HSK拉刀機構而言相當于是1個負值。CAPTO拉刀機構松刀狀態(tài)EM值示意如圖5所示。

2.4 電主軸軸承振動測試

電主軸軸承振動測試方法為：采用磁吸式振動傳感器，布置在距離電主軸前端軸承最近的主軸箱箱體處，主軸夾緊動平衡刀具以最高轉速運轉，采集該狀態(tài)下電主軸振動加速度時域信號，并將其處理為振動速度時域信號和均方根值(RMS值)?；贗SO 10816標準，對監(jiān)測得到的振動速度時域信號進行評價，如表5所示。

表5 電主軸非旋轉部位振動測量值評價參考標準

在采用上表評價電主軸振動信號時域RMS值變化趨勢的同時，還可以對振動信號進行傅里葉變換，對振動信號頻域特征進行分析。參考文獻[11]給出電主軸軸承故障特征頻率的理論計算方法如下式所示。

(1)

(2)

(3)

式中：BPFO為軸承外圈故障特征頻率；BPFI為軸承內圈故障特征頻率；BSF為滾動體故障特征頻率；n為滾動體數(shù)量；fr為主軸轉速頻率；d為滾動體直徑；D為軸承節(jié)徑；φ為接觸角度。

上述軸承故障特征頻率理論計算方法，在未拆除電主軸機械結構的情況下，較難獲取軸承的一些特征尺寸來計算準確的故障特征頻率。工程實踐中，經常根據(jù)正常狀態(tài)下與疑似故障狀態(tài)下電主軸頻域特征圖的比對，分析電主軸軸承振動測試結果。

2.5 電主軸潤滑測試

高速高精電主軸一般采用油氣潤滑，通過壓縮空氣和油氣發(fā)生器向電主軸軸承供應精確微量潤滑油。工程實踐中，由于服役時間較長，油/氣管路老化破損、潤滑油添加不及時和密封不良等原因導致油氣潤滑不良現(xiàn)象較多，大多會導致電主軸軸承潤滑不良磨損加劇、溫度異常升高及性能快速退化[12]。

針對上述問題，本文設計了基于點檢的電主軸潤滑測試方案，通過對電主軸潤滑系統(tǒng)的長期離線點檢測試，獲取油氣潤滑系統(tǒng)性能狀態(tài)，確保電主軸輔助支撐系統(tǒng)工作正常。潤滑測試部位示例如圖6所示，潤滑測試方案和評價標準如表6所示。

表6 電主軸潤滑測試方案與評價標準

3 實驗驗證

為驗證本文設計的電主軸預防性維修方法的有效性，在多個長期服役的電主軸上開展實驗驗證，典型故障的預防性維修情況如下。

3.1 基于拉刀機構測試的電主軸預防性維修

某型號車銑復合中心電主軸最高轉速30 000 r/min，采用CAPTO C4形式拉刀機構，在長期服役過程中，采用本文設計的預防性維修方法對電主軸性能進行監(jiān)測，其中拉刀機構測試數(shù)據(jù)如下表所示。

表7 某型號電主軸拉刀機構測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表中測試記錄數(shù)據(jù)，結合本文表3、表4給出的拉刀力、EM值評價標準可以看出，該電主軸拉刀機構EM值測量一直正常，拉刀力測試值初期正常，在推薦拉刀力的1.2倍左右，但隨著服役時間的增長，拉刀力出現(xiàn)顯著下降趨勢。最近一次測試甚至已經低于本文表3給出的推薦拉刀力，顯著不正常。雖然此時并未發(fā)現(xiàn)加工質量有顯著異常，但根據(jù)測試結果電主軸拉刀機構性能已顯著退化。

選擇在該設備加工間隙對電主軸拉刀機構進行排查。將拉刀機構前端從電主軸錐孔中拆出，檢查發(fā)現(xiàn)前端配對使用的拉刀爪中的1個有明顯斷裂損壞跡象，如圖7所示，損壞的刀爪導致拉刀機構在抓刀時剛度不足拉刀力下降。同時，拉刀機構碟簧廠家推薦壽命在20萬次以內，雖然該電主軸沒有換刀次數(shù)統(tǒng)計，但從服役周期來看應已達到或接近碟簧壽命上限。

基于上述實驗現(xiàn)象和分析，對電主軸拉刀機構進行了整體快速更換，對更換后的電主軸拉刀力和EM值進行測試，分別為14.8 kN和8.31 mm，符合本文表3、表4中評價標準。

實驗結果表明：基于本文設計的預防性維修方法，在該電主軸拉刀機構性能進一步退化前及時發(fā)現(xiàn)了隱患，擇機實施了更換處理，預防由于電主軸故障導致的加工質量問題。

3.2 基于振動測試的電主軸預防性維修

采用本文設計的預防性維修方法對某型號車銑復合中心電主軸性能進行監(jiān)測，其中軸承振動測試數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 某型號電主軸軸承振動測試數(shù)據(jù)

該電主軸功率13 kW，根據(jù)本文表5給出的的電主軸軸承振動評價標準，A級別時振動速度RMS應小于0.71 mm/s，B級別時振動速度RMS應小于1.80 mm/s，大于1.80 mm/s則屬于C級別。該型號設備廠家給出了電主軸軸承處的振動速度RMS值最大允差為3 mm/s。

根據(jù)表8中振動測試數(shù)據(jù)可以看出，雖然該電主軸軸承振動測試結果沒有超出廠家給定的最大允差3 mm/s(常規(guī)維修閾值上限)，但在長期服役過程中，相同刀具、相同工況條件下，振動測試數(shù)據(jù)的評價結果從初始的A級逐漸退化至C級，表征該電主軸軸承性能有較大幅度下降，雖然還沒有退化至發(fā)生嚴重故障、影響加工質量的程度，但已經處于正常工作壽命周期的末期。

本文對上述振動測試數(shù)據(jù)進行傅里葉變化，結合頻域特征進一步分析電主軸性能變化趨勢，頻域分析結果如圖8所示。

多次實驗頻域特征整理如表9所示。

表9 某型號電主軸軸承振動頻域特征

從表9中頻域特征可以看出，頻域特征最大值始終是轉速基頻500 Hz占主導地位，但隨著服役時間的增長，頻域特征從最初的只有轉速基頻及其自然整數(shù)倍頻，逐漸發(fā)展為出現(xiàn)非轉速基頻及其自然整數(shù)倍頻的其他頻率特征。由于該電主軸廠商并不提供主軸軸承相關數(shù)據(jù)，無法根據(jù)本文前述式(1)～(3)計算是否由軸承引起，但與電主軸初始狀態(tài)比較，頻域特征的變化比較顯著，表征電主軸內部可能存在松動、磨損、斷裂類的早期故障征兆。

基于上述實驗現(xiàn)象和分析，提前對該電主軸整體進行了備份，待該型號機床工作間隙時對電主軸進行了快速整體更換，更換下來的電主軸返廠維修。更換后新電主軸軸承振動速度RMS測試結果為0.6 mm/s，頻域特征與被更換電主軸早期頻域特征相同，僅有轉速基頻及其自然整數(shù)倍頻，且轉速基頻特征值最大。

實驗結果表明：基于本文設計的預防性維修方法，在該電主軸軸承性能進一步退化前及時發(fā)現(xiàn)了隱患，擇機實施了更換處理，預防由于電主軸軸承故障導致的加工質量問題。

4 結語

本文針對電主軸預防性維修問題，通過電主軸結構分析和常見故障分析得到故障多發(fā)部位和故障原因；基于故障多發(fā)部位和原因設計了電主軸預防性維修體系，設計了性能測試方案和評價標準，得到了電主軸預防性維修方法；將該方法應用于長期服役的精密數(shù)控機床電主軸，驗證了所提方法的有效性。驗證實驗結果表明：所提方法有效識別出了電主軸早期性能退化，為后續(xù)的提前介入預防性維修和性能退化趨勢監(jiān)測提供了有效依據(jù)。本文研究成果為高速高精電主軸預防性維修提供一種可借鑒的技術手段。

需要指出的是，本文設計的電主軸預防性維修方法主要依賴人工、離線開展，后續(xù)還需進一步開展將預防性維修方法所需數(shù)據(jù)實時在線自動采集存儲分析預警的研究，以更好適應自動化生產模式的需求。