電主軸振動(dòng)信號(hào)分析及故障預(yù)測(cè)

琚裕強(qiáng) 韋炫丞 鐘宛余

摘 要 為了在設(shè)備維護(hù)中能更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和診斷電主軸早期故障，運(yùn)用加速度包絡(luò)方法，對(duì)電主軸在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的初始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，提取出早期故障信號(hào)。通過(guò)運(yùn)用該方法對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)工廠200根電主軸多年的信號(hào)分析和維護(hù)實(shí)踐，驗(yàn)證了該方法能有效地提高電主軸故障預(yù)測(cè)和診斷的準(zhǔn)確性，降低設(shè)備停線率和維修成本。

關(guān)鍵詞 電主軸;振動(dòng)信號(hào);加速度包絡(luò)技術(shù);故障預(yù)測(cè)

1 引言

電主軸是集電機(jī)、冷卻系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)一體式的設(shè)備。應(yīng)用常規(guī)（如觀察動(dòng)作狀態(tài)、聽(tīng)設(shè)備動(dòng)行中的異響等）的方法不能有效對(duì)電主軸進(jìn)行故障分析、維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)控，在結(jié)合常規(guī)方法的基礎(chǔ)上，對(duì)電主軸動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，可以使電主軸的動(dòng)作狀態(tài)、故障分析信息化，有利于對(duì)電主軸故障診斷和維護(hù)[1]。

對(duì)電主軸振動(dòng)信號(hào)分析主要采用傅立葉變換頻譜分析法和加速度包速法。傅里葉變換分析方法以從時(shí)域和頻域分析信號(hào)的組成部分，根據(jù)故障信號(hào)的頻率特征，可以準(zhǔn)確判斷主軸故障的根本原因，它基于0-2kHz的較低頻率范圍，能夠監(jiān)測(cè)軸承損壞中后期不平衡、不對(duì)中、共振問(wèn)題等，然而，在軸承早期損傷振動(dòng)信號(hào)振動(dòng)幅度小、持續(xù)時(shí)間短、頻率寬，傳統(tǒng)的頻譜分析很難從電主軸振動(dòng)信號(hào)的頻譜中提取到有效的故障初期信號(hào)頻率特征。

針對(duì)電主軸故障初期信號(hào)的特點(diǎn)，采用加速度包絡(luò)檢測(cè)技術(shù)[2]，在對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行前期數(shù)字濾波的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)電主軸故障初期信號(hào)進(jìn)行提取，掌握電主軸當(dāng)前的工作狀態(tài)，預(yù)測(cè)和降低潛在故障風(fēng)險(xiǎn)。

2 電主軸振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 電主軸系統(tǒng)

電主軸主要由模擬量傳感器、壓電傳感器、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、裝刀單元、冷卻液入口組成，如圖1所示。

模擬量傳感器主要是通過(guò)傳感器感應(yīng)拉桿距離的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具在裝刀、卸刀、工件加工過(guò)程中夾緊狀態(tài)的監(jiān)控，實(shí)時(shí)發(fā)送反饋信號(hào)給控制系統(tǒng)，對(duì)刀具工作狀況進(jìn)行控制。

壓電傳感器主要是在線對(duì)主軸動(dòng)態(tài)動(dòng)行過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)的采集，然后通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)分析，對(duì)主軸、機(jī)床的當(dāng)前工作狀態(tài)和故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和評(píng)估。

液壓系統(tǒng)主要是通過(guò)對(duì)液壓缸進(jìn)油量和出油量的控制，推動(dòng)裝刀單元實(shí)現(xiàn)不同刀具在加工過(guò)程中的迅速、準(zhǔn)確切換。

冷卻系統(tǒng)主要是通過(guò)制冷機(jī)對(duì)電機(jī)及主軸旋轉(zhuǎn)單元在主軸高速動(dòng)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行冷卻，降低電機(jī)和旋轉(zhuǎn)單元在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的溫度，達(dá)到對(duì)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)單元的保護(hù)。冷卻液主要是加工中心在攻絲、鉆空中對(duì)刀具的冷卻，同時(shí)沖走工件加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢料以免損壞刀具。

2.2 電主軸振動(dòng)信號(hào)采集

用安裝在其內(nèi)部的專業(yè)測(cè)量?jī)x器——壓電傳感器（即應(yīng)變電阻橋）對(duì)電主軸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集[3]，其輸出信號(hào)為級(jí)微弱信號(hào)，由于振動(dòng)信號(hào)比較微弱，必須對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行放大，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字濾波[4]，再對(duì)濾波信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢測(cè)及頻譜分析。現(xiàn)某發(fā)動(dòng)機(jī)工廠采的數(shù)據(jù)采集器型號(hào)為SKF CMXA 70-M-K-SL，振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)如圖2所示。

SKF CMXA 70-M-K-SL數(shù)據(jù)采集器中設(shè)置有4種濾波器，根據(jù)電主軸型號(hào)和實(shí)際工作情況，選擇運(yùn)用哪一種濾波器進(jìn)行工作[5]。表1是基于工頻，即基于設(shè)備轉(zhuǎn)速的一個(gè)包絡(luò)濾波器選擇標(biāo)準(zhǔn)。從表1 中顯示設(shè)備轉(zhuǎn)速范圍和頻率分析范圍。

3 加速度包絡(luò)法基本原理

在軸承損傷的早期，振動(dòng)的幅值很小，持續(xù)的時(shí)間也短，能量都分散在很寬的頻率范圍內(nèi)，常常會(huì)被其他信號(hào)淹沒(méi)[6]。經(jīng)過(guò)圖2中的帶通濾波器，濾除高幅度低頻干擾信號(hào)，加強(qiáng)高頻段瞬態(tài)畸變微小的振動(dòng)信號(hào)能量，再運(yùn)用SKF包絡(luò)檢測(cè)技術(shù)，將濾出來(lái)的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行整流，再濾波，最后將整流濾波后的時(shí)域波形進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)化到低頻段顯示[7]。加速度包絡(luò)法基本原理描述如下。

假設(shè)振動(dòng)信號(hào)通過(guò)濾波后，只限高于缺陷頻率50倍以上才能通過(guò)，當(dāng)一系列振動(dòng)信號(hào)的倍頻和它自身相乘后，在相乘的過(guò)程中，根據(jù)積化和差公式：

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 速度包絡(luò)法在電主軸故障預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

某發(fā)動(dòng)機(jī)工廠運(yùn)用的信號(hào)處理分析軟件為Machine Analyst 3.0。

電主軸振動(dòng)信號(hào)采集條件：轉(zhuǎn)速統(tǒng)一設(shè)定為5000 RPM，這樣可以進(jìn)行橫向和縱向的對(duì)比。所謂橫向?qū)Ρ龋捎陔娭鬏S型號(hào)一致，內(nèi)部軸承型號(hào)也一致，在正常情況下，各電主軸之間的振動(dòng)值應(yīng)該相差不大，利用這一點(diǎn)，可以便于我們做出好的判斷和預(yù)測(cè)。所謂縱向?qū)Ρ?，針?duì)同一臺(tái)電主軸，不同的時(shí)刻所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

下面是2008年9月份，對(duì)缸蓋一線所有加工中心電主軸進(jìn)行周期檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)的加速度包絡(luò)值，如表2 所示。生產(chǎn)線OP10-OP40為粗加工工位，OP80-OP110P為半精加工工位，OP140-OP170為精加工工位，從不同工位電主軸振動(dòng)信號(hào)加速度包絡(luò)報(bào)警值可以看出OP40A、OP170A兩臺(tái)加工中心的電主軸振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)異常，OP40和都超出報(bào)警值范圍，需緊急做出故障分析，OP170 Env值比較高，而Vel值沒(méi)有超出報(bào)警值范圍，所以加強(qiáng)OP170的數(shù)據(jù)采集，繼續(xù)跟蹤。

對(duì)于出現(xiàn)早期故障的電主軸，是否需要更換，還要看其速度譜線的鋒值，才能判斷是否需要更換。由圖5中可以看到，主軸的沖擊信號(hào)更加明顯，同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的時(shí)候還可以聽(tīng)到輕微的噪聲。在速度頻譜中（如圖6所示），頻譜中出現(xiàn)周期性的峰值，速度總值達(dá)14.033mm/s。

從圖7中可以明顯看到軸承7194內(nèi)圈存在明顯的損傷，由于振動(dòng)值較上次有所減小，可見(jiàn)軸承原有的缺陷已被磨合，表面平整度好于損傷開(kāi)始，損傷已進(jìn)入第三階段，即穩(wěn)定磨損期。

從圖8可以看到，過(guò)大的振動(dòng)值部分可能來(lái)源于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的松動(dòng)或是不平衡。綜上所述，建議在測(cè)量報(bào)告有較明顯波動(dòng)時(shí)有必要在大修時(shí)間對(duì)電主軸更換。

4.2 結(jié)論

根據(jù)早期故障振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，運(yùn)用加速度包絡(luò)技術(shù)對(duì)原始采集信號(hào)中故障信號(hào)部分進(jìn)行頻譜提取增強(qiáng)，去除低頻高強(qiáng)度信號(hào)，得到利于觀察分析的小幅度故障振動(dòng)信號(hào)，此方法有效地提高了電主軸故障預(yù)測(cè)和診斷的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工廠200根電主軸多年的故障初期的預(yù)測(cè)和診斷，使其在故障惡化之前及時(shí)采取維護(hù)措施，降低了停線率和維修成本，通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了該方法的有效性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

琚裕強(qiáng)，中級(jí)工程師，研究方向：過(guò)程控制與自動(dòng)化裝置。