摘要：針對數(shù)控機床機械主軸在故障發(fā)生時的非平穩(wěn)特性及主軸運行狀態(tài)監(jiān)測的問題，提出了一種基于振速均方根值和頻譜分析的振動監(jiān)測分析方法。以某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(tài)識別，發(fā)現(xiàn)異常后針對主軸重要部件軸承進行持續(xù)性監(jiān)測，利用頻譜分析診斷出軸承的缺陷位置。結(jié)果證明該振動監(jiān)測分析方法可以快速有效地診斷出機械主軸故障位置，提前采取措施以避免故障進一步惡化，為主軸后期的檢修和維護提供了可靠的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：機械主軸；狀態(tài)監(jiān)測；振動分析；軸承失效；頻譜
在數(shù)控機床加工中，主軸是機床的重要部件之一，它的性能直接決定了加工工件的表面質(zhì)量，一旦主軸出現(xiàn)故障，將造成機床長時間停機，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。其中主軸的很多機械故障是由于機床關(guān)鍵部件磨損、振動、超負(fù)荷加工等加工狀態(tài)或外部環(huán)境改變引起的漸變性故障，因此對主軸進行預(yù)防性維修，尤其是監(jiān)測其振動情況是很有必要的。萬海波等研制了基于 HHT 時頻分析方法的機床主軸振動分析系統(tǒng)進行振動監(jiān)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(xué)者對數(shù)控主軸的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)沒有很好地應(yīng)用在實際生產(chǎn)環(huán)境中，對實際發(fā)生的突發(fā)性故障也缺少實際案例分析。
為了保障數(shù)控機床的正常使用，對潛在故障進行預(yù)防性維修，本文針對某國外龍門機床的機械主軸展開振動監(jiān)測與分析研究?；诟咝У恼駝臃治鲅b置對該機械主軸運行過程中振動信號進行采集分析，與廠家允許的振動值對比發(fā)現(xiàn)異常位置；通過計算關(guān)鍵軸承的特征頻率，診斷得到故障部件；對比歷史故障信息，進一步確定故障部位，指導(dǎo)維修人員提前訂購備件，制定相關(guān)維修計劃。
1、 振動分析與診斷
1.1 狀態(tài)監(jiān)測
設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是指機器在運行情況下，了解和確定其狀態(tài)的過程。工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的主要狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)有振動分析與診斷、潤滑油分析、紅外熱成像技術(shù)、超聲波檢測（材料厚度/缺陷檢測）和電機狀態(tài)監(jiān)測與電流特征分析等，其中振動分析是最常用的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。
在工程應(yīng)用中，為了真實準(zhǔn)確反映機械傳動部件的振動狀態(tài)，要注意選擇監(jiān)測點的位置和采集方法，傳感器一般安裝在主軸端面附近的軸承位置有較好的監(jiān)測效果。另外必須注意對振動信號進行多次采集和分析，進行橫向綜合比較，也需要通過將設(shè)備的振動頻譜與歷史數(shù)據(jù)進行縱向比較，為預(yù)防性維修提供可靠的理論指導(dǎo)和故障信息。
1.2 軸承故障診斷
軸承是大多數(shù)機械結(jié)構(gòu)中最重要的部件之一，軸承的工作狀態(tài)與旋轉(zhuǎn)機械的運行可靠性息息相關(guān)。然而在數(shù)控加工的復(fù)雜環(huán)境中，主軸系統(tǒng)內(nèi)的軸承在使用中存在過早失效的現(xiàn)象。主要原因有超負(fù)荷運轉(zhuǎn)、主軸潤滑不足、誤操作帶來的隱形損傷、密封效果差或配合過緊等，這些因素都會產(chǎn)生特定類型的軸承故障，導(dǎo)致軸承振動加劇造成災(zāi)難性破壞。
在生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，軸承在其使用過程中表現(xiàn)出很強的規(guī)律性，并且重復(fù)性強。軸承各部件都有其特殊的故障頻率，若軸承發(fā)生故障，它的幅值增加，并有諧波，諧波兩邊產(chǎn)生邊頻。軸承有 4 個部件組成：滾動體、保持架、外環(huán)和內(nèi)環(huán)。對軸承故障機理研究表明，當(dāng)軸承損傷時，將出現(xiàn) 4 種故障頻率之一或若干故障頻率同時出現(xiàn)。軸承的故障頻率可用下列公式計算：
2 、案例分析
2.1 機械主軸狀況
數(shù)控機床中的機械主軸有轉(zhuǎn)速低、扭矩大的特點，適宜加工高強度、高硬度材質(zhì)。本次以某國外高端龍門機床的機械主軸為研究對象進行振動分析。該主軸在一年前由于主軸端面的軸承磨損嚴(yán)重造成了滾動體脫落，等待備用軸承造成停工數(shù)月嚴(yán)重影響了零件的交付，在維修更換后，為了避免突發(fā)性設(shè)備故障造成的經(jīng)濟損失，設(shè)備人員開始對該主軸定期進行振動檢測，監(jiān)控主軸運行狀態(tài)，重點關(guān)注主軸更換后的軸承使用狀態(tài)。
2.2 振動監(jiān)測
主軸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，搭配了一個三相加速度傳感器，可以快速對振動信號進行采集分析而不用拆卸機床主軸。在每次進行振動監(jiān)測時，需要保證主軸轉(zhuǎn)動參數(shù)、裝配刀具及傳感器位置一致，測量數(shù)據(jù)才可以真實反映故障的變化趨勢。具體參數(shù)信息如表 1，傳感器位置如圖 1 所示。
表1 振動監(jiān)測參數(shù)信息
圖1 機械主軸及傳感器位置
2.3 軸承故障頻率計算
該主軸大修后更換的軸承參數(shù)如表 2 所示。
表2 軸承參數(shù)信息
依據(jù)上述技術(shù)數(shù)據(jù)，分別計算軸承各部件在軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為 1500r/min 時的故障頻率：
上面計算的各特征頻率都是從理論上推導(dǎo)出來的，而實際軸承的幾何尺寸會有誤差，加上軸承安裝后的變形，使實際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(jīng)過兩個多月的持續(xù)性監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該主軸的振動速度均方根值 RMS ≥ 0.2mm/s，超過了 SKF 軸承制造商建議的安全振動限值 0.2mm/s。針對此異?，F(xiàn)象對主軸進行振動頻譜分析，進一步發(fā)現(xiàn)故障原因，本文選取了近兩個月的測量結(jié)果作故障分析，8 次頻譜圖分布如圖 2 所示。
圖2 故障頻譜圖
從頻譜圖的譜線分布來看，在 0~1000Hz 軸承范圍內(nèi)，軸承內(nèi)圈故障頻率 383.9Hz（實測為 388Hz，與計算值非常接近）的幅值非常明顯，而且每次測量幅值都會較前一次增大（表 3），兩個多月的時間內(nèi)從 0.18mm/s（2次方）增大到 0.27mm/s（2次方），結(jié)合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(nèi)圈已經(jīng)出現(xiàn)了缺陷。同時內(nèi)圈故障頻率兩側(cè)均有明顯邊頻帶，說明該內(nèi)圈故障在這段時間內(nèi)持續(xù)擴展導(dǎo)致了幅值的增大。
表3 8次故障頻率幅值記錄
另外從頻譜圖中可以看到，軸承外圈故障頻率316.1Hz 的 2X 幅值（實測值為 656Hz）也較為明顯，推斷出軸承的外圈受內(nèi)圈故障影響出現(xiàn)缺陷的可能性比較大。在 800~900Hz 之間出現(xiàn)的高頻連續(xù)譜，噪聲底線明顯抬高，分析認(rèn)為是內(nèi)圈故障正在進一步惡化，造成了主軸轉(zhuǎn)動時會出現(xiàn)松動摩擦的現(xiàn)象。
通過上述分析可以得到該機械主軸的軸承已經(jīng)出現(xiàn)了故障隱患，需要在下次檢修中安排更換軸承。經(jīng)過和維修人員確認(rèn)，上次軸承故障就是內(nèi)圈嚴(yán)重破損導(dǎo)致滾動體散落發(fā)出異響才進入維修，此次距離更換軸承后時間不超過半年，軸承內(nèi)圈已經(jīng)出現(xiàn)了缺陷，推斷可能是主軸內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)存在缺陷或者由軸承安裝和潤滑等因素導(dǎo)致的。為避免缺陷擴大導(dǎo)致停機故障，已經(jīng)提交備件采購流程，同時采取機床限制性使用和按期振動監(jiān)測等措施進行主軸狀態(tài)跟蹤。
3 、結(jié)論
通過對數(shù)控機床的主軸進行振動監(jiān)測與故障分析，可以判斷出主軸軸承的運行情況、出現(xiàn)缺陷的部件及缺陷的嚴(yán)重程度。在實際應(yīng)用中，操作人員可以通過便攜式儀器對主軸狀態(tài)進行快速檢查，診斷上可采取振動速度有效值結(jié)合頻譜分析的方法進行綜合診斷，為設(shè)備維修和備件采購提供可靠的理論指導(dǎo)，降低因軸承故障造成主軸事故擴大的可能性。對主軸診斷的技術(shù)還可以采取監(jiān)測噪聲、溫度和潤滑等多種技術(shù)手段結(jié)合，可以提高主軸故障識別與診斷的準(zhǔn)確率。
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