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機械主軸軸承振動監測（cè）與故障診斷研究

2021-5-13 來源：航（háng）空（kōng）工業成（chéng）都飛機工業（集團）數控加工廠（chǎng）作者：王一鵬李連玉李勇

摘要：針對數控機床（chuáng）機（jī）械主軸在故障發（fā）生時（shí）的非平穩特性（xìng）及主軸運行狀（zhuàng）態監測的問題，提出了一種（zhǒng）基於振速（sù）均方根（gēn）值和頻譜分析的振動監（jiān）測分析方法。以某（mǒu）龍門機床機械主軸為對象開展研究，選擇振動測試儀的振動速度值進行快速狀態識別（bié），發現異常（cháng）後針對（duì）主軸重要部件軸承進（jìn）行持（chí）續性監測，利用（yòng）頻譜分析診斷出軸承的缺（quē）陷位置。結果（guǒ）證明該振動監測分析方法可以（yǐ）快速有效地診斷出機械主軸故障位置，提前采取（qǔ）措施（shī）以避免故障進一步惡化（huà），為主軸後期的檢修和維護提供了可靠（kào）的依（yī）據。

關鍵詞：機械（xiè）主軸；狀態（tài）監測；振動分析；軸承失（shī）效；頻譜

在數控機床加工中，主軸是機床的重要部件（jiàn）之一，它的性能直接決定了加（jiā）工工件的表麵質量，一旦主軸出（chū）現故障，將造成機床長時間停機，為企業帶來巨大的經濟損失。其中主軸的很多機械故障是由（yóu）於機床關鍵部件磨損、振動、超負荷加工等加工狀態或外部環境改變引起的漸變性故障，因此對主軸進（jìn）行預防性維修（xiū），尤（yóu）其是監測其（qí）振動情況是很有必要（yào）的（de）。萬海波等研（yán）製了基於 HHT 時頻分析方法的機床（chuáng）主（zhǔ）軸振動分析係統進行振動（dòng）監測。籍永建等利用 EMD 的方法對主軸振動信號進行分析。汪順利等利用 Lab VIEW 對主軸進行振動測量與分析。目前很多學者對數控主軸的狀態監測技術沒有（yǒu）很好地應用在實際生產環（huán）境中，對實際發（fā）生（shēng）的突發（fā）性故障也缺少實際案（àn）例分析。

為了保障數控機床的正常使用，對潛在故障進行預防性維修，本文針對某國（guó）外龍門機床的機械（xiè）主軸展開（kāi）振動監（jiān）測與（yǔ）分析研究。基於高效的振動分析裝置對該機械主軸（zhóu）運行（háng）過程中振動信號進行（háng）采（cǎi）集分析，與廠家允許的（de）振動值對比發（fā）現異常位置；通（tōng）過（guò）計算關鍵軸承的特征頻率，診斷得到故障部件；對比曆史故（gù）障（zhàng）信（xìn）息，進一步（bù）確定故（gù）障部（bù）位，指導維修人（rén）員提前訂購備件，製定相關維修（xiū）計劃。

1、振動分析與診斷

1.1 狀態（tài）監測

設備狀態監測技術是（shì）指機器在運行情況下，了解和確定其狀態的過程（chéng）。工業領域應用的主要狀態監測技術有振動分析與診斷、潤滑油分析、紅外熱（rè）成像技術、超聲波檢測（材料（liào）厚度/缺陷檢測）和電機狀態監測與電流特征分析等，其中振動分析是最常用的（de）狀態監測技術。

在工（gōng）程應用中，為了真實準（zhǔn）確反映機（jī）械傳動部件的振（zhèn）動狀態，要（yào）注意選擇監測點的位置和采（cǎi）集（jí）方（fāng）法，傳感器（qì）一般安裝在主軸端麵附近的軸承位置有較好的監測效果。另外必須注意對振動信號進行多次采集和分析，進（jìn）行橫（héng）向綜合比較，也需要通過將設備的振動（dòng）頻譜與曆（lì）史數據進行（háng）縱（zòng）向比較，為預（yù）防性維修（xiū）提供可靠的理論指導和故障信息。

1.2 軸承故障診斷（duàn）

軸承是大多數機械結（jié）構中最重要的部件之一，軸承的工作狀態與旋轉機械的運行可靠性息息相關。然而（ér）在數控加工的複雜環境中，主軸係統內的軸承在使用（yòng）中存（cún）在過早失效的現象。主要（yào）原因有（yǒu）超負荷運轉、主軸潤滑不足、誤操作（zuò）帶來（lái）的隱（yǐn）形損傷、密封效果差或配合（hé）過緊等，這些因素都（dōu）會產生特定類型的軸（zhóu）承故障，導致軸承振動（dòng）加劇造成災難性破壞。

在（zài）生產狀態監測中發現，軸承在其使用過程中表現出很強的規律性，並且重（chóng）複性強。軸（zhóu）承各部件都有其特殊的故障頻率，若軸承發生故障，它的幅（fú）值增加，並有諧波，諧波兩邊產生邊（biān）頻（pín）。軸承有 4 個部（bù）件組成（chéng）：滾動體、保持架（jià）、外環和內環。對軸承故（gù）障機（jī）理研究表明，當軸承損傷（shāng）時，將出現（xiàn） 4 種故障頻率之（zhī）一（yī）或若幹故障頻率同時出現。軸承的故障頻率可用下列公式（shì）計算：

2 、案例分析

2.1 機械主軸狀況

數控機床中的機械主軸有轉速低、扭矩（jǔ）大的特點，適宜加工高強度、高硬度材質。本次以某國外高端（duān）龍（lóng）門機床的機械主軸（zhóu）為研究對象（xiàng）進行振動分析（xī）。該主軸在一年前由於主軸端麵的軸承磨損（sǔn）嚴重造成了滾動體脫落，等待備用（yòng）軸承造成停工（gōng）數月嚴重（chóng）影響了零件的交付，在維修更換後，為了避免突發性設備（bèi）故障造成的經（jīng）濟損（sǔn）失（shī），設備人員開始對該主軸定期進（jìn）行振動檢測，監（jiān）控主軸運行狀態，重點關注主軸更換後的軸承使（shǐ）用狀態（tài）。

2.2 振動監測

主軸（zhóu）振動分析采用了一款 Smart Balancer 的儀器進行振動測試，它是一個方便高效的檢測儀器，搭配了一（yī）個三相加速度傳感器，可以快速對振動信號進（jìn）行采集分析而不用拆卸機床主（zhǔ）軸。在每次進（jìn）行振動監測（cè）時，需要保證主軸轉動參數（shù）、裝配刀具（jù）及傳感（gǎn）器位置一致，測量數據才可（kě）以（yǐ）真實反映故障的變化趨勢（shì）。具體參（cān）數信息如表 1，傳感器位置如圖 1 所示。

表1 振動監（jiān）測參數信（xìn）息

圖1 機械主軸（zhóu）及傳感器位置

2.3 軸承故障頻率（lǜ）計算（suàn）

該主軸大修後更換的軸承（chéng）參數如表（biǎo） 2 所示。

表2 軸承參數信息

依據上述技術數據，分別計算軸承各部件在軸承內圈（quān）轉速為 1500r/min 時（shí）的故障頻率：

上麵計算的（de）各特征頻率都是從理論上推導出來的，而實際軸承的幾何尺寸會有誤差，加上軸承安裝後的變形，使實際（jì）的頻率與計算所得的頻率會有差異，所以在頻譜圖上尋找各特征頻（pín）率時，需在計算的頻率值上下找其近似的值來做判斷。

2.4 故障分析

經過兩個多月的持續性監測，發現該主軸（zhóu）的振動速度均方根值 RMS ≥ 0.2mm/s，超（chāo）過了 SKF 軸（zhóu）承製造商建議的安全振動限值 0.2mm/s。針對此異常現象對主軸進行振動頻譜分析，進一步發現故障原因，本文選取了近兩個月的測量結果作故障分析，8 次頻譜圖分布（bù）如圖 2 所示。

圖2 故障頻譜圖

從頻（pín）譜圖的譜線分布來看，在 0~1000Hz 軸承範圍內，軸承（chéng）內圈故障頻率 383.9Hz（實測為 388Hz，與計算值非常接近）的幅值非（fēi）常明顯，而且每次測量幅（fú）值都會較前一次增大（dà）（表 3），兩個多月的時間內從 0.18mm/s（2次方）增大（dà）到 0.27mm/s（2次方），結合（hé）之前該主軸軸承故障進行綜合考慮，由此可以判斷該軸承的內圈已經出（chū）現了缺陷。同時內圈故障（zhàng）頻率兩（liǎng）側均有（yǒu）明顯邊頻帶，說（shuō）明該內圈故障在這段時間內持續擴展（zhǎn）導致（zhì）了幅值的增大。

表3 8次故障頻率幅值記錄

另外（wài）從頻譜圖（tú）中可以看到，軸承外（wài）圈故障頻率316.1Hz 的 2X 幅值（實測（cè）值為 656Hz）也較為明顯，推斷出軸承（chéng）的外圈受內圈故（gù）障影響出現缺（quē）陷的可能性比較大。在 800~900Hz 之間出現的高頻連續譜，噪聲底線明顯抬高，分（fèn）析（xī）認為是內圈故障正在進一步惡化，造成了主軸轉動時（shí）會出現鬆動摩擦的現象。

通過上述分析可以得到該機械主軸的軸承已經出現了故障隱患，需要在下次檢修中安排更換軸（zhóu）承。經過和（hé）維修（xiū）人員確認，上次軸承故障就是內圈嚴重破損導致滾動體散落發出異響才進入（rù）維修，此次（cì）距（jù）離更換軸承後時間不超過半年，軸承（chéng）內圈已經出現（xiàn）了缺陷，推斷可能是主軸內部傳動結構存在缺陷或者由（yóu）軸承安裝和潤滑等因素導致的。為避免缺陷擴大導致停機故障，已經提交備件采購流程，同（tóng）時采取機床限製性使用和按期振動監測等措施（shī）進行主軸狀態跟蹤。

3 、結論

通過對數控機床的主軸進行振動監測與故障分（fèn）析，可以判斷（duàn）出主軸軸（zhóu）承的運行情（qíng）況、出現缺陷的部件及缺陷的嚴重程（chéng）度。在實際應用（yòng）中，操作（zuò）人員可（kě）以通過便攜式儀器對主軸狀態進行快速（sù）檢查，診斷上可采取振動速度有效值結合頻譜分（fèn）析的方（fāng）法進行（háng）綜（zōng）合診斷，為設備維修和備件采購提供可靠（kào）的理論指導，降低因軸承故障造成主軸事故擴大的可能性。對（duì）主軸診斷的技術還可以（yǐ）采取監測噪聲、溫度（dù）和潤滑等多種技術手段結合，可以提高主軸故障（zhàng）識別與診斷的（de）準確率。

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