振動(dòng)監(jiān)測(cè)在磨齒機(jī)上的應(yīng)用

張波

【摘要】隨著機(jī)床使用的壽命的增加，在磨齒工序，由于主軸問(wèn)題導(dǎo)致的質(zhì)量事故頻次在逐年增加，每次都是事后維修，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)造成的損失無(wú)法彌補(bǔ)。針對(duì)這一問(wèn)題，我們使用了離線(xiàn)式振動(dòng)檢測(cè)儀，定期對(duì)機(jī)床的主軸情況進(jìn)行檢測(cè)，分析和評(píng)估。針對(duì)非正常設(shè)備采取預(yù)防性維修，從而保證產(chǎn)品加工質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】成形磨齒機(jī);機(jī)床;精度，振動(dòng)檢測(cè)

一、引言

目前我公司引進(jìn)的成形磨齒機(jī)主軸均采用直接電主軸形式。隨著設(shè)備使用壽命的增加，在磨齒工序，由于主軸問(wèn)題導(dǎo)致的質(zhì)量事故頻次在逐年增加，每次都是事后維修，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)造成的損失無(wú)法彌補(bǔ)。針對(duì)這一問(wèn)題，我們通過(guò)振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備定期對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)特征頻率進(jìn)行分析評(píng)估，保證主軸運(yùn)行在正常狀態(tài)。對(duì)于非正常狀態(tài)的設(shè)備和生產(chǎn)部門(mén)協(xié)調(diào)停機(jī)時(shí)間，預(yù)防性的對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行維修，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量。

二、振動(dòng)監(jiān)測(cè)的原理

由于成形磨齒機(jī)的主軸都是使用電主軸的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)主軸結(jié)構(gòu)，省去了如皮帶，變速箱等很多中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)。針對(duì)這種結(jié)構(gòu)，我們把研究的重點(diǎn)放在了軸承上。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要包含振動(dòng)信號(hào)的獲取，分析，評(píng)估三個(gè)部分。

1、 振動(dòng)信號(hào)的獲取

振動(dòng)測(cè)量參數(shù)包括：位移、速度、加速度三種。其中位移是針對(duì)低頻振動(dòng)信號(hào)（0-100Hz），加速度是針對(duì)高頻信號(hào)（>1000Hz），速度則位于二者之間（10-1000Hz）。軸承由于制造，裝配等因素可以產(chǎn)生20-20kHz的振動(dòng)信號(hào)，我們需要分析的重點(diǎn)是在軸承的內(nèi)外圈，保持架和滾子的缺陷頻率上。由于磨齒機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在1000-3000r/min之間，其缺陷頻率一般在10-2000Hz之間。所以我們采用了速度信號(hào)作為采集對(duì)象。

根據(jù)ISO2373標(biāo)準(zhǔn)推薦，測(cè)點(diǎn)位置的選取應(yīng)當(dāng)遵循傳遞路徑最短，測(cè)點(diǎn)剛度最大兩條原則。針對(duì)電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，我們把測(cè)點(diǎn)選擇在電機(jī)外殼的前端和后端。

2、 振動(dòng)信號(hào)分析

振動(dòng)診斷主要包含波形圖、頻譜圖、軸心軌跡圖，極坐標(biāo)圖、軸心位置圖、波特圖、奈奎斯特圖等。其中頻譜圖是目前使用最普遍的圖形。主要是因?yàn)槊恳环N振動(dòng)故障在頻率上和頻率轉(zhuǎn)速的關(guān)系上都有特征，頻譜圖可以明顯的分析這種特征。一臺(tái)裝有軸承的機(jī)器特征缺陷頻率至少包含5種，分別為軸的轉(zhuǎn)速（S），外圈滾珠通過(guò)頻率（BPFO），內(nèi)圈滾珠通過(guò)頻率（BPFI），保持架通過(guò)頻率（FTF），滾珠自轉(zhuǎn)頻率（BSF）。

●軸承外圈通過(guò)頻率（BPFO）

當(dāng)軸承的外圈存在故障時(shí)，在頻譜圖上可以看見(jiàn)軸承外圈通過(guò)頻率和高次諧波。如果是內(nèi)圈固定，外圈轉(zhuǎn)動(dòng)的安裝方式，其通過(guò)頻率周?chē)赡軙?huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速頻率S的邊頻。其計(jì)算公式如下：

BPFO=Nb/2*S（1-（Bd/Pd）*cosA）

Nb： 軸承滾子數(shù) ;S：軸轉(zhuǎn)速 ;Bd：滾子直徑 ;Pd： 滾子分布圓直徑 ;A： 接觸角（度）

●軸承內(nèi)圈通過(guò)頻率（BPFI）

軸承內(nèi)圈存在故障時(shí)，在頻譜圖上可以看見(jiàn)軸承內(nèi)圈的通過(guò)頻率BPFI和高次諧波。如果是外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的安裝方式，其通過(guò)頻率周?chē)赡軙?huì)出現(xiàn)其轉(zhuǎn)速頻率S的邊頻

BPFI=Nb/2*S（1+（Bd/Pd）*cosA）

●軸承滾動(dòng)體通過(guò)特征頻率（BSF）

軸承滾動(dòng)體存在故障時(shí)，在頻譜圖上可以看見(jiàn)滾動(dòng)體通過(guò)頻率和高次諧波，還有會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速頻率S的邊頻。另外還有BSF的半諧波（由于滾動(dòng)體對(duì)外圈的碰撞強(qiáng)于內(nèi)圈導(dǎo)致）

BSF=（Pd/2Bd）*S*（1-（Bd/Pd）*CosA）2

●軸承保持架通過(guò)頻頻率 （FTF）

軸承保持架存在故障時(shí)，在頻譜圖上可以看見(jiàn)軸承保持架通過(guò)頻率和其高次諧波

FTF=S/2*（1-（Bd/Pd）*CosA

3、 振動(dòng)信號(hào)的評(píng)估

振動(dòng)烈度（振動(dòng)速度有效值 Vrms）直接反映振動(dòng)物體的振動(dòng)強(qiáng)度，是最簡(jiǎn)單、最常用的判斷標(biāo)準(zhǔn)。常用的國(guó)際判斷標(biāo)準(zhǔn)有ISO2372 ，ISO3945。

針對(duì)機(jī)床主軸，法國(guó)電氣制造聯(lián)盟（NEMA）有相關(guān)的振動(dòng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：

三、案例分析

德國(guó)某臺(tái)成形磨齒機(jī)在檢測(cè)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)值超差，頻譜圖如下圖1，其主軸使用B71918-E-T-P4S型號(hào)軸承，根據(jù)軸承手冊(cè)得到該型號(hào)軸承參數(shù)如下：

軸承外徑：125mm ，內(nèi)徑：90mm ，滾動(dòng)體數(shù)量：25 ，滾珠直徑：11mm，接觸角：25度，檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min

根據(jù)上述公式計(jì)算：

BPFI= BPFI=Nb/2*S（1+（Bd/Pd）*cosA）=25/2x2000[1+（11/107.5）x0.9]

= 454.16Hz

2xBPFI=908.32Hz ?，3xBPFI=1362.48Hz

由于軸承滑動(dòng)或者主軸轉(zhuǎn)速不恒定等因素，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際故障頻率和計(jì)算故障頻率存在一點(diǎn)偏差，經(jīng)上述公式計(jì)算，該故障頻率為典型的軸承內(nèi)圈損壞特征頻率，且由于是外圈固定的安裝方式，在內(nèi)圈特診頻率周?chē)黠@存在轉(zhuǎn)速S的邊頻。經(jīng)拆卸檢查驗(yàn)證了確實(shí)為軸承內(nèi)圈損壞，如下圖。

后對(duì)該設(shè)備的主軸軸承進(jìn)行更換，振動(dòng)值在0.5mm/s以下，可以滿(mǎn)足使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] SKF 軸承故障診斷

[2] ?實(shí)用機(jī)械振動(dòng)分析與維護(hù) ?Paresh Girdhar