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
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。
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)。
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
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。
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。
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
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。
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[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.
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*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