利用功率譜分析拋光機(jī)磨頭的故障

摘 要 本文以某陶瓷機(jī)械廠拋光機(jī)的關(guān)鍵工作部件——磨頭的振動機(jī)理為基礎(chǔ)，對磨頭振動信號進(jìn)行了采集并采用功率譜分析的方法找出了磨頭振動的主要原因。試驗(yàn)表明，功率譜分析是拋光機(jī)磨頭故障診斷的一種有效方法。

關(guān)鍵詞 拋光機(jī)，磨頭，故障診斷，功率譜分析

1前言

磨頭是拋光機(jī)中的關(guān)鍵性工作部件，它的工作狀態(tài)直接影響到加工工件的質(zhì)量。目前拋光機(jī)存在的主要問題是磨頭振動過大，易造成整臺設(shè)備的振動和噪聲，也使得加工工件的質(zhì)量不穩(wěn)定。本文根據(jù)拋光機(jī)磨頭的工作原理，對信號進(jìn)行了功率譜分析，找出了磨頭振動過大的主要原因。

2磨頭的振動機(jī)理

拋光機(jī)在工作時，磨頭電機(jī)輸出轉(zhuǎn)距依次通過皮帶輪、軸、連軸器、齒輪等來帶動凸輪作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。凸輪通過滾輪對主動擺桿施加運(yùn)動。一方面，由于凸輪的展開曲線為波浪形曲線，它的高、低點(diǎn)之間有高度差，使得凸輪壓迫滾輪在垂直方向作往復(fù)直線運(yùn)動；另一方面，由于主、從動齒輪之間存在轉(zhuǎn)速差，使得凸輪與主動擺桿、滾輪之間存在轉(zhuǎn)速差，即凸輪與滾輪之間存在相對轉(zhuǎn)動。這兩個分運(yùn)動使得主動擺桿一邊繞主軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，一邊繞擺桿軸作擺動，并帶動被動擺桿以及六個磨塊、磨塊座作同樣的擺動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于凸輪的曲線設(shè)計不合理，凸輪與滾輪接觸時有徑向滑移，以及擺桿的加工精度沒有達(dá)到設(shè)計要求，導(dǎo)致凸輪曲面與滾輪接觸時動態(tài)不平衡，最終導(dǎo)致磨塊在磨削工件時的動態(tài)不平衡。

3磨頭振動測試系統(tǒng)的組成

3.1 硬件組成

(1) 信號獲取部分

加速度傳感器 —— 獲取檢測點(diǎn)的振動信號，并將測得的物理量轉(zhuǎn)換為電量

電荷放大器 —— 將電量進(jìn)行放大

磁帶記錄儀 —— 將電荷放大器輸出的信號記錄下來

頻譜分析儀 —— 在現(xiàn)場對信號進(jìn)行監(jiān)測，也可以對信號進(jìn)行FFT、時域、頻域分析

（2） 信號處理及故障診斷部分

波譜儀 —— 對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行FFT相關(guān)分析、譜分析等

計算機(jī) —— 應(yīng)用matlab語言對信號進(jìn)行各種運(yùn)算、分析和顯示運(yùn)算結(jié)果

3.2 軟件組成

（1） 信號采集處理軟件：本試驗(yàn)采用Vib'sys振動信號采集、轉(zhuǎn)換、處理和分析軟件，采集合適的信號樣本，提取故障特征信息，對其進(jìn)行各種分析處理。

（2） 故障診斷軟件：用matlab語言編程，建立圖形用戶界面，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析。

4新磨頭和故障磨頭的振動測試

主要研究試驗(yàn)?zāi)C(jī)的新磨頭和故障磨頭分別在2kg和4kg壓力下的工作狀態(tài)。傳感器的位置分布如圖2所示。

5磨頭故障分析

用Welch法估計功率譜密度，它是用改進(jìn)的平均周期圖法來求取隨機(jī)信號的功率譜密度。現(xiàn)場監(jiān)測表明：在0～4kHz的頻率范圍內(nèi)集中包含了磨頭振動信號的信息。根據(jù)采樣定理，對新磨頭采用8kHz的頻率進(jìn)行采樣，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖4 可見，新磨頭的振動能量主要集中在800Hz以下，因此取分析頻率范圍0～1000Hz，采樣頻率為2000Hz重新進(jìn)行分析。

圖5、圖6為新磨頭分別在4kg、2kg壓力下的標(biāo)準(zhǔn)自功率譜圖。在不同的工作壓力下，功率譜圖在約2Hz處均有峰值，與凸輪、滾輪沖擊頻率相吻合；此外，峰值較小，表明新磨頭的凸輪與滾輪的運(yùn)動沖擊不明顯。

有關(guān)文獻(xiàn)指出^[2]，齒輪傳動信號頻譜中，可能出現(xiàn)齒輪嚙合頻率及其諧頻。經(jīng)計算齒輪的嚙合頻率為321.17Hz，軸頻為7.83Hz，可能出現(xiàn)的譜峰值有：嚙合頻率＋1倍軸頻＝329.00Hz，對應(yīng)圖中的328.92Hz；嚙合頻率＋3倍軸頻＝344.66Hz，對應(yīng)圖中的343.75Hz，以及它的2倍倍頻成分687.50Hz。上述峰值較小，表明齒輪工作狀態(tài)良好。

由于交流電產(chǎn)生的工頻信號為50Hz，圖中50.89Hz、50.76Hz、101.56Hz、150.72Hz、201.34Hz、250.00Hz、300.78Hz分別約為工頻的1～6倍，這些信號是電磁干擾信號。

圖7、8是故障磨頭在4kg、2kg壓力下的波形圖。由圖可以看出：故障磨頭的波形為梳齒狀沖擊信號，波形明顯不同于正常磨頭。對故障磨頭作功率譜圖分別如圖9和圖10所示。

由圖中可見：不同工作壓力下的故障磨頭的功率譜在2Hz處均有較大峰值，約等于凸輪與滾輪的沖擊頻率，反映凸輪與滾輪的沖擊振動是磨頭的主要故障源。為此對磨頭進(jìn)行解體，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，凸輪端面與滾輪接觸處形成的軌跡有一道很深的壓痕，證實(shí)了凸輪擺動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動存在較大的沖擊。

問題的癥結(jié)發(fā)現(xiàn)以后，通過對凸輪曲線進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，同時重點(diǎn)對擺桿的加工工藝進(jìn)行了改進(jìn)，由原來的立式鉆床加工改為數(shù)控機(jī)床加工，減小了擺桿的形位公差，保證了凸輪擺桿機(jī)構(gòu)的裝配精度。改進(jìn)后的拋光機(jī)磨頭運(yùn)行時振動和噪聲大幅度降低。

6結(jié)論

（1） 對合格新磨頭與故障磨頭在試驗(yàn)?zāi)C(jī)上進(jìn)行了振動對比實(shí)驗(yàn)。合格的新磨頭，其振動信號在時域內(nèi)正負(fù)對稱，無低頻成分；在頻域內(nèi)，其頻率成分在高頻部分。

（2） 故障磨頭的振動信號，時域內(nèi)正負(fù)不對稱，沖擊較強(qiáng)、呈梳齒狀。當(dāng)壓力為2kg時，沖擊表現(xiàn)出斷續(xù)的特點(diǎn)；當(dāng)工作壓力較大時（4kg），振動出現(xiàn)約2Hz的低頻信號。在頻域內(nèi)，低頻（2Hz）信號的能量相對高些，但整個譜圖能量分布在1Hz內(nèi)，反映了沖擊信號的特點(diǎn)。

（3） 分析表明：凸輪與主動擺動桿滾輪的沖擊頻率約為2Hz，它與故障磨頭振動的高能量低頻信號相吻合，說明故障磨頭的凸輪擺動機(jī)構(gòu)制造或裝配不理。通過對凸輪曲線進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計、提高擺桿的加工精度后，在消除振動和降低噪音方面取得了很好的效果。

參考文獻(xiàn)

1 陳克興.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)[M]，北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1990

2 孔繁森，陳如恒，李福海.三缸泵動力端的振動監(jiān)測與故障診斷(一)振動狀態(tài)的模糊估計與功率譜分析[J].石油礦場機(jī)械，1996（25）：19～25